월간전기

한국에너지기술연구원 태양광연구단 송희은 박사, 충북대학교 물리학과 김가현 교수 공동 연구팀이 실리콘 이종접합(SHJ) 태양전지 효율 저하의 요인인 결함의 형태를 최초로 규명하는 데 성공했다. 이번 연구결과는 결함을 억제하는 ‘패시베이션 기술’과 연계해 태양전지 효율 향상에 크게 이바지할 수 있을 것으로 전망된다.

’24년 기준 태양광 누적 설치량은 2.3TW를 달성했으며, ’50년까지 누적 설치용량은 15.3TW(ESS 연계 포함)에 달할 것으로 전망된다. 태양광 발전은 ’50년 글로벌 계통연계 전력 생산량의 39%에 이를 것으로 전망되며, 탄소중립 구현을 위한 주 에너지원이 될 것으로 기대된다.

태양광 분야 「탄소중립 기술혁신전략 로드맵」 및 「제5차 에너지 기술개발 계획 기술 로드맵」에 따라, 고효율 태양전지의 개발 필요성이 대두되고 있다. 태양전지 내에 발생하는 다양한 결함은 손실을 일으키고, 변환 효율과 전력 발생량을 감소시킨다. 이를 방지하기 위한 방법으로 표면 코팅 등의 처리를 통해 결함을 제어하는 ‘패시베이션(passivation) 기술’이 사용되고 있다. 해당 기술을 알맞게 적용하기 위해서는 각각의 태양전지에 발생하는 결함의 형태와 특성을 완벽히 이해해야 한다.

심층준위과도분광(Deep Level Transient Spectroscopy, 이하 DLTS)이라고 부르는 기존의 결함 분석법은 태양전지에 순간적으로 전압을 가해 일시적으로 성질이 변한 상태로 만들고, 소자가 정상으로 돌아올 때까지의 반응(이하 과도응답)을 측정해 분석한다. 그러나 전압이 가해진 후 정상으로 돌아올 때까지의 시간이 밀리초(1천분의 1초) 수준으로 매우 짧기 때문에, 전체 과도응답을 측정하지 않고 전압이 가해진 직후와 정상 복귀 시 각 1번씩만 측정하는 방식을 활용해 왔다.

이는 단순한 구조를 지닌 소자의 분석에 적합하지만, 전체 과도응답을 관찰하지 않아 SHJ 태양전지처럼 복합적인 결함을 가지는 소자의 분석에는 걸맞지 않았다. 이에 따라 최근까지도 SHJ 태양전지의 결함과 특성은 간접적으로 유추할 뿐, 실체를 파악하기 어려웠다.

이를 해결하기 위해 연구진은 기존의 분석 방식을 고도화하고 태양전지의 과도응답 전체를 분석하는 새로운 해석 기법을 제안했다. 이를 통해 최근까지 한 종류일 것으로 가정했던 SHJ 태양전지의 핵심 결함은 사실 두 가지의 결함이 중첩된 형태라는 것을 알아냈다. 즉, SHJ 태양전지의 결함이 두 가지의 복합적인 형태로 존재함을 최초로 규명한 것이다.

연구진이 발견한 두 가지 형태는 느린 상(깊은 결함)과 빠른 상(얕은 결함)으로, 두 형태를 각각 분석함으로써 심도, 소자 내 위치, 원자 결합 형태 등 다양한 특성이 서로 다르게 나타나는 것을 확인했다. 이를 통해 패시베이션 기술 연계를 위해서는 결함의 증감 등 정량적 평가와 더불어 소자 특성에 미치는 영향 중심의 질적 평가도 매우 중요하다는 점을 입증했다.

연구진은 또한 “두 형태의 결함은 태양전지의 제조 공정과 소자 구동에 따라 원자 간 결합과 상태가 변화할 수 있다”는 것도 밝혀냈다. 특히 “태양전지에 포함된 수소가 결함 상태 변화의 핵심 요인으로 작용한다”는 것을 실험적으로 증명했다.

연구진은 이종접합 태양전지의 정전용량 과도응답(Capacitance transient)을 직접 분석, DLTS 신호를 시간 영역에서 이중 상(dual-phase) 형태로 분해하는 새로운 분석법을 개발했다. 단일 지수함수로 가정하던 기존 DLTS 해석을 넘어, 느린 상(slow phase, 깊은 결함)과 빠른 상(fast phase, 얕은 결함) 등 두 개의 상(phase)으로 분리한 것이다.

각 결함의 포획 단면적, 트랩 농도, 에너지준위를 독립적으로 도출하여 결함의 양적 특성(결함농도)뿐 아니라 질적 특성을 정량화했다. 그 결과, 두 상의 결함이 서로 다른 결합구조(DB, weak Si-Si bonds)임을 규명했다.

더불어, 연구진은 결함의 열처리-유도 변환 및 패시베이션 품질도 재해석하여, ITO 스퍼터링에 의해 발생한 깊은 결함이 열처리 후 얕은 결함으로 변환됨을 확인했다. 열처리 후 결함농도는 증가했지만, 결합구성 변화로 인해 오히려 패시베이션 품질이 회복됨을 실증한 것이다. 이로써 수소 확산에 의해 표면 재결합(dangling bond)이 약한 Si-Si bond로 재구성되는 결함/재결합 메커니즘을 제시했다.

이번 연구를 토대로, 향후 결함의 ‘양’이 아니라 ‘형태’와 ‘변환’을 중심으로 한 새로운 패시베이션 해석 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 미세 결함의 동적 변환에 기반한 결함 제어기술 개발로 장기 안정성 및 효율 향상에도 이바지할 것으로 기대를 모은다.

본 연구의 결함제어 기법은 향후 고효율 실리콘 태양전지 및 패로브스카이트-Si 탠덤 태양전지뿐만 아니라 MOS 트랜지스터, LED, 센서 등 반도체/디스플레이 등의 소재 공정 개발에도 적용 가능하다.

해당 연구를 주도한 에너지연 송희은 박사는 “본 연구를 통해 고효율 실리콘 이종접합 태양전지 개발을 가속화하고, 나아가 에너지연의 독자 기술을 이용해 세계 최고 수준의 적층형 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

충북대 김가현 교수는 “본 연구를 통해 개발된 분석 방식을 태양전지뿐 아니라 센서, LED 및 CMOS 반도체 소자 등 다양한 반도체/디스플레이 응용 분야로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편, 해당 연구는 세계적인 재료과학 학술지 《어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials/IF 19/JCR 상위 4.5 %)》 ’25년 10월호에 표지 논문으로 선정됐다.