고려대 이승우 교수(단독저자 및 교신저자, KU-KIST융합대학원, 공과대학 융합에너지공학과 및 바이오마이크로시스템기술학과)
고려대학교 연구진이 태양전지의 효율이 떨어지는 원인을 단계별로 진단할 수 있는 새로운 분석 체계를 제시했다. 서로 다른 태양전지의 성능을 동일한 기준에서 비교하는 동시에 효율 저하의 핵심 원인을 찾아내 개선 우선순위를 정할 수 있는 기술이다.
고려대학교는 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 이승우 교수 연구팀이 태양전지의 성능을 공정하게 비교하고 효율 손실 원인을 체계적으로 분석할 수 있는 새로운 이론적 분석 체계를 개발했다고 밝혔다.
태양전지는 최종 효율이 같더라도 성능을 떨어뜨리는 원인은 서로 다를 수 있다. 예를 들어 한 소자는 빛을 충분히 흡수하지 못해 효율이 낮아질 수 있고, 다른 소자는 생성된 전하가 소자 내부에서 소실되거나 전기적 저항으로 인해 출력이 감소할 수 있다.
연구팀은 이러한 차이를 파악하기 위해 외부양자효율(EQE), 전기발광(EL), 전류-전압(J-V) 곡선을 활용하는 진단 체계를 제시했다. EQE는 어떤 파장의 빛이 전기로 변환되는지를, EL은 생성된 전하가 빛으로 얼마나 다시 방출되는지를, J-V 곡선은 실제 소자가 얼마나 많은 전력을 생산하는지를 보여준다.
연구팀은 이들 측정값을 쇼클리-퀘이서(SQ) 한계 이론에 기반한 동일한 기준에 적용해 효율 손실을 ▲빛 흡수 손실 ▲복사 전압 손실 ▲비복사 전하 손실 ▲저항 및 션트 손실 등 4개 항목으로 구분했다.
이를 통해 연구자는 전체 효율만 확인하는 데서 벗어나 어떤 과정에서 가장 큰 손실이 발생하는지를 파악하고 개선이 시급한 부분부터 보완할 수 있다.
특히 연구팀은 복사 전압 손실이 특정 기준보다 낮다는 이유만으로 이를 곧바로 소자 내부의 전기적 결함으로 해석해서는 안 된다고 지적했다. 빛을 흡수하는 경계면의 형태에 따른 광학적 손실일 가능성도 있기 때문에 빛 흡수 손실과 함께 분석해야 한다는 설명이다.
또 소자의 특성에 따라 기존 진단 기준이 일치하지 않을 경우에는 측정된 EQE 데이터를 바탕으로 이론상 최대 성능인 복사 한계를 다시 계산해야 한다고 제안했다.
이번 분석 체계는 실리콘을 비롯해 GaAs, CIGS, 페로브스카이트, 유기 태양전지, 초박막 TMD 등 서로 다른 특성을 가진 다양한 태양전지 기술에 적용할 수 있다. 연구팀은 기술별 측정 방법과 파이썬 기반 분석 템플릿도 함께 제시해 연구자와 기업이 동일한 기준으로 성능을 비교·검증할 수 있도록 했다.
연구팀은 이번 분석법이 태양전지의 효율 향상을 위한 연구 과정에서 손실 원인을 보다 명확하게 파악하고 기술별 개선 방향을 설정하는 데 활용될 것으로 기대하고 있다.
연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF 25.5)에 8월 19일 온라인 게재됐다. 논문 제목은 ‘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’다.
이번 연구는 한국연구재단과 과학기술정보통신부·보건복지부 한미공동연구기금, 고려대학교의 지원을 받아 수행됐다.
