“똑같은 효율인데 왜 다를까?” 태양전지 효율이 떨어진 진짜 이유 ‘건강검진’으로 진단

△ 태양전지 ‘건강검진’의 전체 흐름. 빛 반응, 빛 방출, 실제 출력을 함께 측정한 뒤 같은 SQ 기준으로 분석하면, 효율 저하의 원인을 네 가지 손실로 나누고 개선 우선순위를 정할 수 있다

태양전지 효율이 왜 떨어졌는지를 알 수 있는 ‘건강검진표’가 나왔다. 고려대학교(총장 김동원) KU-KIST융합대학원/융합에너지공학과 이승우 교수가 서로 다른 태양전지를 공정하게 비교하고, 효율을 떨어뜨리는 원인을 단계별로 찾아내는 새로운 분석 체계를 제시했다.

태양전지 두 개가 똑같이 20% 효율을 보이더라도 개선해야 할 지점은 전혀 다를 수 있다. 한 소자는 빛을 충분히 흡수하지 못하고, 다른 소자는 만들어진 전하가 중간에 사라지거나 전기 저항 때문에 출력을 잃을 수도 있기 때문이다. 하지만 최종 효율 숫자만 보면 이런 차이가 보이지 않는다.

태양전지 연구에서 널리 쓰이는 쇼클리-퀘이서(SQ) 한계 이론은 자동차의 ‘이론적 최고속도’와 비슷하다. 실제 성능을 공정하게 비교하려면 같은 도로 조건을 써야 하듯, 태양전지도 같은 빛의 세기·온도·빛의 출입 조건과 일관된 밴드갭 정의를 사용해야 한다.

*쇼클리-퀘이서(Shockley-Queisser, SQ) 한계 이론: 물리학과 열역학 법칙에 따라 태양전지가 빛 에너지를 전기로 바꿀 때 도달할 수 있는 이론상 최고 효율을 계산한 모델

이승우 교수는 태양전지 효율 저하의 원인을 찾는 새로운 이론체계를 제시했다. 먼저 세 가지 검사를 진행한다. 여기서 외부양자효율(빛 반응 검사, EQE)은 ‘어떤 색의 빛을 전기로 바꾸는지’, 전기발광(빛 방출 검사, EL)은 ‘전하가 빛으로 얼마나 되돌아 나오는지’, 전류-전압 곡선(출력 검사, J-V)은 ‘실제로 얼마나 많은 전력을 내는지’를 알려준다.

이 데이터를 공통 SQ 기준(같은 빛의 세기·온도 등)에 넣으면 손실이 네 개의 진단 항목으로 나뉜다. ▲빛 흡수 손실 ▲복사 전압 손실 ▲빛을 내지 않고 사라지는 전하 ▲저항과 션트로 줄어든 출력이다. 이 진단 항목들을 살핀다면 가장 큰 손실부터 개선할 수 있다.

* 복사 전압 손실: 빛 흡수 경계면이 이상적이지 않고 완만하게 퍼져 있어 소자 내부에서 빛·열 형태로 암전류가 늘어나며 잃어버리는 전압 손실

* 션트: 소자 내부의 미세 결함이나 이물질로 인해 전기가 외부로 빠져나가지 못하고 틈새로 새어나가는 통로

특히 복사 전압 손실이 1보다 작다는 이유만으로 소자 내부 전기적 결함이라고 단정하면 안 된다는 점을 분명히 했다. 빛 흡수 경계면 모양에 따른 광학적 손실일 수 있으므로 ‘빛 흡수 손실’과 함께 봐야 하는 것이다. 또 소자 특성상 진단 기준이 서로 맞지 않을 때는 측정된 빛 반응 데이터(EQE)를 바탕으로 이론상 최대 성능(복사 한계)을 다시 계산해야 한다.

이번 연구는 실리콘, GaAs, CIGS, 페로브스카이트, 유기 태양전지, 초박막 TMD처럼 특성이 크게 다른 태양전지 기술에도 공통적으로 적용된다. 기술별 측정 요령과 파이썬 분석 템플릿까지 제공해, 연구자와 기업이 같은 기준으로 성능을 검증하고 가장 시급한 개선 과제를 찾도록 돕는다.

본 연구 성과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘Advanced Energy Materials(IF=25.5)’ 온라인에 8월 19일 게재됐다.

*논문명: A Practical, Technology-Agnostic Framework For Shockley-Queisser Benchmarking of Solar Cells: Robust Bandgap Definitions and Loss Decomposition From EQE, Electroluminescence, and J-V Data

*DOI: 10.1002/aenm.71465

*URL: https://doi.org/10.1002/aenm.71465

이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부·보건복지부 한미공동연구기금, 고려대학교의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△ 고려대 이승우 교수(단독저자 및 교신저자, KU-KIST융합대학원, 공과대학 융합에너지공학과 및 바이오마이크로시스템기술학과)