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낮은 제조원가와 높은 효율 달성의 균형을 이루는 것은 태양전지의 성공적 미래를 위한 핵심이다. 지난 수 년 동안, 과학자들은 태양전지를 저렴하게 제조하는 방법을 탐구하여 왔다. 그 중 가장 유망한 방법이 용액공정(solution processing)이다. 

호주 CSIRO Materials Science and Engineering의 Joel van Embden 박사 등은 연구논문을 통해, 나노결정 기반의 태양전지를 제조하기 위해 저렴한 용액공정 방법을 소개하고 있다. 나노결정 기반의 태양전지는 친환경적이고 무해한 극성 나노결정 잉크(nanocrystal ink)를 사용하여 만들어졌다. 

나노결정으로 만들어진 이전의 태양전지가 매우 독성이 높고 유기 오염물질을 다량 함유하고 있는 용매를 사용해야 했던 반면에, 본 연구에서는 단순한 알코올과 같은 독성이 없고 저렴한 물질을 사용하고 있다. 초기 개발 단계에서 이미 태양전지의 효율은 7.7%에 달했으며, 미래 상용화를 위한 가능성을 높여주고 있다. 본 연구의 가장 큰 업적은 규모 확장이 가능하고 친환경적인 액체 용매를 사용하여 저렴한 물질과 공정을 제공하여 효율적인 태양전지를 제조할 수 있다는 점이다. 

용액 공정으로 제작된 태양전지는 재생에너지 시장에서 유통될 것으로, 합성 능력과 규모확장이 가능하고 저렴한 반도체 잉크 분산체뿐만 아니라 단순하고 무해한 화학처리를 통해 간단하게 가공할 수 있어야 한다. 본 연구에서 개발한 나노결정 기반의 태양전지는 이런 두 가지 난제를 모두 해결하였다. 게다가 태양전지의 빛 흡수층은 저렴하고 지구 상에 풍부한 구리, 아연, 주석 및 황과 같은 물질의 나노결정으로 만들어졌다. 

연구팀은 높은 극성을 부여하기 위해 나노결정의 표면특성을 변화시켜 태양전지용 잉크를 개발하였다. 이런 높은 극성은 리간드(ligand)라고 불리는 특수한 유기 분자를 나노결정 표면에 부착시킴으로써 달성되었다. 

리간드를 부착시킨 나노결정을 전도성 유리 기질 상에 침착시키고 셀렌화(selenization)라고 불리는 공정을 통해 셀레늄 증기로 처리하였다. 이 과정을 통해 나노결정 필름을 마이크로결정 필름으로 변형시키며, 이로써 빛에 대한 필름의 감응성을 크게 향상시켰다. 그러나 셀렌화 공정을 통한 입자의 성장 정도는 현재 제한적이다. 이런 제한은 나노결정 기반의 태양전지가 직면한 가장 중요한 난제에 해당한다. 

향후 본 연구는 나노결정 잉크 조성을 조절하여 더 높은 효율을 달성하기 위한 쪽으로 진행될 것이다. 극성 잉크는 성장 촉진 첨가물을 포함하고 유리한 도펀트(dopant)로 작용할 수 있게 한다. 본 개발을 통해 차세대 태양전지의 인쇄에 적합한 복잡한 잉크 조합의 가능성이 높아졌다. 

연구팀은 다양한 첨가물을 포함한 다성분 나노결정 잉크를 개발 중이며, 각 첨가제가 태양전지의 효율을 향상시키기 위한 고유의 역할을 수행하게 될 것이라고 van Embden은 밝혔다. 

그림> 극성 나노결정 잉크를 사용한 CZTSSe 태양전지의 제작과정 

원문 정보: Joel van Embden, et al. "Cu2ZnSnS4xSe4(1?x) Solar Cells from Polar Nanocrystal Inks." Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/ja501218u 

KISTI 미리안 2014-04-17




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