연구진, 패시베이션 처리된 페로브스카이트-텍스처드 실리콘 탠덤 셀에서 33.1% 효율 달성

킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST), 프라이부르크대학교, 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(ISE)의 국제 연구팀이 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 산업화를 위한 중요한 진전을 이루었다. 연구팀은 피라미드 형태 표면을 가지며 업계 표준인 텍스처드 실리콘 하단 셀과 결합한 경우에도 페로브스카이트 상부층을 효과적으로 패시베이션할 수 있음을 입증했다.

실리콘에서의 패시베이션이 상부층에만 영향을 미치는 것과 달리, 페로브스카이트에 적용된 처리는 전체 활성층을 개선하여 효율을 더욱 높인다. 패시베이션된 탠덤 전지는 33.1%의 효율과 2.01V의 개방전압을 달성했다.

탠덤 전지는 페로브스카이트 상부층과 실리콘 하부층을 결합한다. 이 기술은 기존 실리콘 전지의 효율이 이론적 한계인 약 29.4%에 근접한 상황에서 태양광 분야에 주목할 만한 발전을 제공한다.

대량 생산을 위해서는 이미 확립된 제조 공정을 갖춘 업계 표준의 텍스처드 실리콘 전지를 하부층으로 사용하는 것이 유리하다. 이 전지들은 표면적을 넓히고 효율을 높이는 구조를 가지고 있지만 페로브스카이트 층의 증착을 복잡하게 만든다. 그동안 피라미드형 실리콘 표면에서 고품질 패시베이션은 달성되지 못했다.

연구팀은 패시베이션이 전도성과 충전율 또한 향상시킨다고 언급했다. 이는 표면층만 혜택을 받는 실리콘과 달리 페로브스카이트 층 전체에 영향을 미치는 깊은 장 효과에서 비롯된다.

해당 연구의 주저자이자 프라운호퍼 ISE의 연구원인 우사마 에르-라지 박사는 완전한 텍스처드 탠덤 전지에서 효과적인 패시베이션이 이전에는 실현되지 않았으며, 과거의 진전은 평면 표면에 국한되어 있었다고 말했다. 연구팀은 요철이 있는 페로브스카이트 표면에 1,3-디아미노프로판 디하이드로요오다이드를 증착하여 고품질 패시베이션을 달성했다.

KAUST의 스테판 데 볼프 교수는 이번 발견이 향후 연구를 위한 견고한 기반을 제공하며, 상부층 내 광 변환 과정에 대한 이해를 높여 개선된 탠덤 전지 개발을 뒷받침한다고 언급했다.

프라이부르크대학교 교수이자 프라운호퍼 ISE의 태양광 분야 총괄인 슈테판 글룬츠 교수는 표면 패시베이션이 단순한 보조 수단이 아니라 전지 효율과 안정성 향상을 위해 필수적이라고 덧붙였다. 그는 패시베이션이 산업용 실리콘 전지 생산에서 고성능 달성의 핵심이었으며, 태양광 산업에서 페로브스카이트-실리콘 탠덤 전지도 유사한 혜택을 볼 가능성이 높다고 말했다.

이 결과는 독일 연방경제에너지부의 자금 지원을 받아 수행된 프라운호퍼 주력 프로젝트 'MaNiTU'와 'PrEsto' 및 'Perle' 프로젝트의 성과를 바탕으로 한다.