물 첨가 분리막으로 '태양전지' 가격 낮춘다

물을 첨가한 실리콘 태양전지 분리막 개발
성능은 높이고 가격은 낮춰
상용화 가능성도 높아

물을 첨가한 분리막을 장착한 태양전지의 구조(a)와 물에 의한 유기박막의 정렬구조(b는 정렬 전,c는 정렬 후)

[아시아경제 황준호 기자] 물을 이용해 실리콘 태양전지의 효율을 높이고 가격을 낮추는 기술이 개발됐다.

최경진 울산과학기술원 신소재공학과 교수의 연구팀은 실리콘 태양전지의 '후면 분리막(후면 전계층)'의 성능을 개선하고 제조공정은 단순화하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구 논문은 소재 분야의 학술지인 어드벤스드 펑셔널 머티리얼즈에 지난 13일(현지시간) 공개됐다.

물로 만든 분리막

물을 첨가한 유기박막의 내부 구조

연구팀은 물을 첨가한 태양전지의 분리막을 구현했다. 유기물 강유전체 박막에 미량의 물을 첨가해 분리막의 효율을 높였다. 기름처럼 물과 섞이지 않는 유기 박막에 물을 첨가하면 수 마이크론(μm, 10-6) 길이의 파이버 형상 유기물 입자가 조밀하고 규칙적인 구조로 정렬된다. 미세구조가 정렬됨에 따라 전자는 끌어당기고 정공은 밀어내는 힘이 더 커져 분리막의 성능이 좋아진다.

연구팀이 개발한 물 첨가 분리막을 활용하면 분리막에 구멍을 뚫는 고가의 공정이 필요없다. 분리막은 전기가 통하지 않는 물질이라 구멍을 뚫어 전자와 정공의 통로를 만들어 줘야 한다. 새로 개발한 분리막은 첨가됐던 물을 증발시켜 제거하는 방식으로 구멍을 쉽게 만들 수 있다. 태양전지의 가격을 낮출 수 있는 부분이다.

분리막은 광(光)생성 전자와 정공간 재결합을 방지하는 역할을 한다. 태양광을 받은 광활성층(실리콘, 페로브스카이트 등)이 전자와 정공을 내놓는데 이 전자(음전하)와 정공(양전하)이 결합해 사라지는 것을 막는다. 전지가 생산하는 전력량은 전자와 정공의 양이 결정하므로 전지 효율을 높이려면 이들의 재결합을 효과적으로 막는 분리막이 필요하다.

바로 상용화 가능

전자, 정공의 숫자를 비교한 표

교신저자인 최경진 교수는 "유기 박막(강유전체)의 전기적 특성(전기장의 방향)을 조절하는 방식으로 n형, p형 실리콘 태양전지에 모두에 이 박막을 쓸 수 있다"며 "이번 연구로 유기 물질 박막의 고질적 문제인 온도·습도 불안정성도 해결해(1000시간 구동가능) 상용화 가능성이 밝다"고 말했다.

그는 이어 "이번 연구로 무기물에 한정돼 있던 실리콘 태양전지 후면 전계층 기술을 유기물로 확장했다"며 "고가의 진공장비가 필요한 무기 박막 태양전지와 달리 유기 박막을 쓸 경우 공정이 간편해져 가격경쟁력을 갖춘 태양전지를 만들 수 있을 것"이라고 전망했다.

제1저자인 강성범 연구원은 "유기 박막 내부 미세구조의 정렬현상(결정성 증가)을 발견하고, 이를 이용한 실리콘 태양전지 제조 방식을 고안했다"고 설명했다.