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용액가공 태양전지를 위한 재료계면공학

전문가 제언: ○ 태양전지 제법에서 광활성층이나 전극 등의 증착 시에 화학양론 제어가 쉽고 품질관리가 용이했던 진공물리증착법은 실험실 연구에서 많은 기여를 하였다. 그러나 이 제법은 고가의 설비가 필요하고 생산성에 한계를 주어 고생산성의 용액가공법이 인기를 끌고 있다. 고분자 태양전지에서 롤투롤 용액가공에 의한 대량생산기법이 확립된 것은 유명하다.

○ 이 글에서 스위스의 Michael Graetzel 등은 용액가공 이용 태양전지로 DSSC, 유기태양전지, 용액가공 벌크무기태양전지(CIGSSe, CZTSSe), 그리고 콜로이드 양자점 태양전지(CQD SC)에 대해 설명하고 있다. 특히 이들 태양전지에서 화학, 물리, 재료과학 등에 의한 계면제어를 집중 소개하고 있다. 용액가공 태양전지는 이들 장점으로 PCE 15% 달성에 유망한 기술이다. 고분자 태양전지와 DSSC는 PCE 10%를 넘었고, PCE 8%의 DSSC 모듈은 옥외패널 시험을 통과했다. DSSC의 에너지회수기간은 남유럽에서 1년 이하이다(실리콘 태양전지는 3년 이상).

○ 콜로이드 양자점(CQD)은 통상 유기용매 속의 공기 없는 조건에서 합성되는 반도체 무기나노결정인데 제조가 쉽다. 유기배위자가 콜로이드 분산유지 등에 필수이다. QD는 3차원 양자구속으로 양자크기 효과를 가져 파장 1㎛ 수준의 최적 단접합 띠간격은 약 3㎚ 직경의 PbS QD 덕이고, 고분자 없는 쇼트키접합 전층 QD 셀로 진보하였다. 공핍이종접합 CQD구조는 PCE 6%를 달성했다. QD 탠덤 셀은 최초로 동일재료를 두 서브 셀에 사용했고, QD는 다중여기자생성 실현 가능성이 있다. 유기태양전지는 탠덤 셀의 후면 서브 셀에 CQD의 적외 띠간격을 이용할 수 있다.

○ 용액가공의 동-인듐-갈륨-셀레늄(황)화합물(CIGSSe)과 동-아연-주석-황(셀레늄)화합물(CZTSSe) 박막의 띠간격은 S/Se 비의 최적화로 제어한다. 이들 이용 태양전지의 히드라진 용매 이용법은 진공법보다 제조/특성의 장점이 있으나 환경문제가 있다. 국내 태양전지에서 용액이용법은 롤투롤 가공의 고분자 태양전지에서 두드러지며, 여러 연구기관에서 활발하게 연구되고 기업체에서도 코오롱인더스트리에서 상업화를 목표로 여러 연구기관과 모범적 추진을 보이고 있다. 이상적 기술인 콜로이드 양자점 태양전지 산업화에 상당한 산학협동연구가 필요할 것이다.

저자: Michael Graetzel et al
자료유형: 학술정보