CIGSSe 태양 전지를 위한 나노입자 연구

CIGSSe 태양 전지를 위한 나노입자 연구

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-06-14

차세대 에너지 장치로서 태양 전지에 대한 연구는 오래 전부터 있어왔지만, 특히 최근 몇 년간 그 연구의 발전 속도가 급격하게 향상되고 있다. 저가의 효율적인 태양 전지는 재사용 가능하고 환경에 해가 없는 에너지원으로서 큰 관심을 받고 있다. 콜로이덜(colloidal) 방법은 이러한 저가의 태양 전지 연구에 다양한 방법으로 이용되고 있다. 양자역학적으로 다른 특성을 갖는 반도체 나노입자는 멀티엑시톤(multiexciton) 생산이 가능한 고효율 태양 전지를 위한 연구도 활발히 수행되고 있으며, 대량 생산이 가능한 저가의 나노입자도 태양 전지의 가격을 낮추기 위해 많은 연구가 되고 있다. 최근에는 광전자 소자들이 다양한 반도체 나노입자에 기반해서 연구되고 있는데, 그 대표적인 예로 CdTe, Cu2S, Pb(Sx,S1-x), CuInSe2 등이 있다. 이렇게 다양한 재료들 중에서도 CIGSe 타입의 재료가 가장 저가로 높은 효율을 얻을 수 있다고 기대되어 많은 관심을 받고 있다. 많은 연구팀이 CIGSe 타입의 재료를 진공이 아닌 조건에서 제조하기 위해 노력해오고 있다. 이는 제조단가를 확연히 낮출 수 있는 방법이기 때문이다. 그러나 이러한 경우 CIGSe의 광학적, 전기적 특성이 진공에서 제조한 것에 비하여 좋지 않은 경우가 많아서 아직까지 좋은 결과를 얻지 못하고 있다. 이에 대한 대안으로 CIGSe 나노입자를 원하는 조성비로 제조하고 이를 CIGSe의 광흡수층(absorber)으로 사용하는 방법이 연구되고 있다. 이에 대한 최신 연구가 6월 11일자 `Nano Letter`에 발표되어 이를 소개하고자 한다. Purdue University의 Rakesh Agrawal 연구팀에 의해 수행된 이번 연구는 “Sulfide nanocrystal inks for dense Cu(In1-xGax)(S1-ySey)2 absorber films and their photovoltaic performance”라는 제목으로 발표되었다. 연구팀은 이전에 CuInSe2 박막을 이용한 태양 전지를 위하여 CuInSe2 나노입자를 이용한 연구를 수행한 적이 있었다. 그러나 셀레나이드 전구체(selenice precursor)의 열처리 과정에서 부피가 팽창하는 것이 아니라 박막에 구멍이 생기는 현상이 나타나서 문제가 되었다고 한다. 이번 연구에서 연구팀은 Cu(In1-xGax)S2의 나노입자 박막을 소스 물질로 이용하여 이 화합물의 조성비를 유지할 수 있었다고 한다. S 대신 Se를 이용하여 부피 팽창을 유도하였고, 그 결과 원하지 않는 구멍(void)이 생기는 것을 훨씬 감소시킬 수 있었다고 한다. 또한 디바이스 특성도 훨씬 향상되는 것을 알 수 있었다고 한다. 그림 1에는 연구팀이 제조한 샘플에 대한 PXRD 데이터가 나타나 있고, 그림 2에는 실제 박막의 SEM 이미지가 제시되어 있다. 그림 3에서는 실제 제작한 소자의 I-V 특성이 나타나 있는데, 연구팀이 제조한 재료를 이용한 경우 효율이 0.4% 증가한 것을 알 수 있다. 연구팀은 이번에 소개한 재료를 이용하면 보다 저렴한 가격에 효율적인 태양 전지를 만들 수 있을 것이라 기대하고 있으며, 앞으로 여러 가지 다른 재료를 이용하여 조성을 바꾸어보는 연구도 수행할 것이라고 한다.