Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

햇빛은 보라색에서 우리가 피부로 느끼는 보이지 않는 적외선에 이르기까지 다양한 색을 포함하고 있는 거대하고 불균일한 에너지의 강입니다. 수십 년 동안 이 에너지를 포착하는 가장 효율적인 방법은 실리콘과 같은 단일 재료를 사용하여 빛을 전기로 바꾸는 것이었습니다. 하지만 단일 재료는 고정된 크기의 구멍이 있는 체와 같아서, 어떤 색은 잘 잡아내지만 다른 색은 그대로 통과시켜 버려 그 에너지를 열로 낭비하게 됩니다. 더 많은 빛의 강을 포착하기 위해, 과학자들은 서로 다른 재료를 그 위에 쌓아 올리는 '탠덤(tandem)' 태양 전지를 만들어 내는 방식을 도입했습니다. 각 층은 햇빛 스펙트럼의 서로 다른 조각을 포착하도록 조정되어, 단일 층이 결코 할 수 없는 훨씬 더 많은 에너지를 수확하기 위해 함께 작동합니다. 과제는 항상 바닥 층에 사용할 적절한 재료를 찾는 것이었는데, 이 층은 얇고 유연해야 하며, 성능이 저하되지 않으면서도 길고 보이지 않는 적외선 파장을 포착할 수 있어야 합니다.

옥스퍼드 대학교의 연구진과 협력자들은 이 문제를 해결할 수 있는 새로운 재료를 식별해냈으며, 이는 더 효율적일 뿐만 아니라 제조 비용이 저렴하고 안정적인 태양 전지로 가는 길을 제시합니다. 그들은 은-비스무트-황화물(silver bismuth sulfide)이라는 화합물에 주목했는데, 이 재료는 단일 층 태양 전지에서는 유망함을 보여주었으나 쌓아 올린 형태의 탠덤 소자에서 바닥 층으로 성공적으로 사용된 적은 없었습니다. 연구진은 이 재료가 천부적인 장점을 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 즉, 현재의 선두 주자인 납-주석 혼합물보다 적외선을 더 효과적으로 흡수할 수 있으며, 공기에 노출되어도 분해되지 않는다는 점입니다. 연구진은 이 재료의 두꺼운 박막을 입히는 새로운 방법을 개발함으로써, 은-비스무트-황화물을 사용한 최초의 작동하는 탠덤 태양 전지를 시연하였고, 이것이 다른 층과 결합하여 매우 효율적이고 안정적이며 확장 가능한 동력원을 만들 수 있음을 증명했습니다.

이 발견으로 향하는 여정은 단순한 물리학적 질문에서 시작되었습니다. 탠덤 태양 전지에서 바닥 층은 특정 '밴드갭(bandgap)'을 가져야 하는데, 이는 재료가 빛을 전기로 바꾸는 데 필요한 최소한의 에너지를 설명하는 용어입니다. 만에 밴드갭이 너무 높으면 재료는 저에너지 적외선을 무시하게 되고, 너무 낮으면 고에너지 빛의 에너지를 낭비하게 됩니다. 2층 구조 태양 전지의 바닥 층을 위한 이상적인 밴드갭은 1 전자볼트(eV) 바로 아래이며, 3층 구조의 경우 이보다 더 낮습니다. 고급 태양 전지의 바닥 층에 대한 현재 표준은 납과 주석의 혼합물입니다. 이 혼합물은 적외선을 흡수하도록 조정될 수는 있지만, 밴드갭이 여전히 완벽하기에는 약간 높으며, 주석 성분은 화학적으로 불안정하여 완벽하게 밀봉된 산소가 없는 환경에서 만들지 않으면 산소와 반응하여 셀을 망가뜨리기 쉽습니다.

연구진은 은-비스무트-황화물로 눈을 돌렸습니다. 이 재료는 자연적으로 약 1 전자볼트의 밴드갭을 가지고 있는데, 이는 바닥 층을 위한 이상적인 값에 납-주석 혼합물보다 훨씬 가깝습니다. 또한 풍부하고 독성이 없는 원소들로 구성되어 있으며, 납-주석 혼합물과 달리 일반 공기 중에서도 안정적입니다. 그러나 큰 장애물이 있었습니다. 이전 실험에서 은-비스무트-황화물은 불과 수십 나노미터 두께의 매우 얇은 박막에서만 가장 잘 작동했습니다. 이는 재료의 '확산 거리(diffusion length)'가 짧았기 때문인데, 즉 빛에 의해 생성된 전하 입자가 멀리 이동하기 전에 사라져 버린다는 의미였습니다. 태양 전지가 잘 작동하려면, 특히 적외선을 포착하도록 설계된 경우라면, 충분한 빛을 흡수하기 위해 박막이 약 100나노미터 이상의 훨씬 더 두꺼워야 합니다. 막이 너무 두꺼워지면 전하가 갇혀서 전기가 흐르지 않게 됩니다.

이를 극복하기 위해 연구진은 재료를 준비하는 새로운 방법을 개발했습니다. 층을 하나씩 쌓아 올리는 느리고 지루한 과정 대신, 은-비스무트-황화물의 미세한 결정들을 포함하는 액체 잉크를 만들었습니다. 그런 다음 이 결정들을 브로마이드(bromide)와 아이오다이드(iodide)의 혼합물로 처리하여 표면을 세척하고 보호했습니다. '용액상 리간드 교환(solution-phase ligand exchange)'이라고 알려진 이 처리는 결정들이 서로 단단하게 결합하고 전기를 훨씬 더 잘 전도할 수 있게 해주었습니다. 그 결과, 마치 페인트를 펴 바르는 것처럼 단 한 단계로 증착할 수 있고, 균열 없이 전기를 운반하는 능력을 잃지 않으면서 340나노미터까지 두껍게 만들 수 있는 박막이 탄생했습니다. 이는 재료가 설계된 대로 적외선을 포착할 수 있을 만큼 마침내 충분히 두꺼워질 수 있음을 의미하는 결정적인 돌파구였습니다.

이 새로운 두꺼운 박막을 손에 넣은 팀은 은-비스무트-황화물을 이용한 최초의 탠덤 태양 전지를 제작했습니다. 그들은 두 가지 유형의 장치를 만들었습니다. 첫 번째는 '4단자(four-terminal)' 탠덤으로, 두 개의 별개 태양 전지를 서로 위에 놓되 회로에 연결된 두 개의 별도 배터리처럼 독립적으로 작동하게 하는 방식입니다. 그들은 은-비스스무트-황화물 바닥 셀 위에 페로브스카이트(perovskite)라고 불리는 다른 재료로 만든 상단 셀을 결합했습니다. 이 조합은 거의 24%에 달하는 효율을 생산해냈는데, 이는 두 재료가 효과적으로 함께 작동할 수 있음을 입증하는 강력한 결과였습니다. 두 번째 유형은 층들이 하나의 고체 단위로 융합되어 하나의 배터리처럼 작동하는 '모놀리식(monolithic)' 또는 '2단자(two-terminal)' 탠덤입니다. 이는 두 셀 사이에서 전기가 단락(short-circuit) 없이 흐를 수 있도록 하는 특수한 투명 층을 필요로 하는 훨씬 더 어려운 엔지니어링 과제였습니다. 그럼에도 불구하고 연구팀은 이 장치들을 성공적으로 제작했으며, 두 층의 전압이 올바르게 합산됨을 보여주었는데, 이는 작동하는 탠덤 셀의 핵심 요구 사항입니다.

연구진이 장치를 만들기 전에 수행한 시뮬레이션은 은-비스무트-황화물이 3층 태양 전지의 이론적 효율을 거의 48%까지 끌어올릴 수 있음을 시사했는데, 이는 현재의 납-주석 기술의 한계인 36%보다 훨씬 높은 수치입니다. 그들이 실제로 제작한 장치들이 아직 이 이론적 정점에 도달한 것은 아니지만, 실험 결과는 이 재료가 작동하며 새로운 제조법이 실행 가능하다는 것을 확인해주었습니다. 팀은 또한 새로운 셀의 안정성을 테스트했습니다. 그들은 밀봉되지 않은 장치를 건조한 공기 중의 선반 위에 3개월 동안 놓아두었습니다. 납-주석 혼합물로 만든 유사한 장치는 단 하루 반 만에 대부분의 전력을 잃었을 반면, 은-비스무트-황화물 셀은 원래 효율의 90% 이상을 유지했습니다. 이러한 내구성은 미래의 이 재료 기반 태양광 패널이 비싼 무산소실 없이도 일반 공장에서 제조될 수 있음을 시사하며, 잠재적으로 태양 에너지 비용을 낮출 수 있습니다.

연구진은 또한 이 박막을 대규모로 제작하는 것이 얼마나 쉬운지도 살펴보았습니다. 그들은 새로운 단일 단계 방식을 기존의 다단계 방식과 비교하였고, 새로운 접근 방식이 훨씬 더 빠르고 저렴하다는 것을 발견했습니다. 그들은 작은 타일 크기의 표면에서도 박막이 균일하고 결함이 없는 상태를 유지함을 보여줌으로써, 작은 실험실 샘플에서부터 더 큰 패널로 공정을 성공적으로 확장했습니다. 이러한 확장성은 실험실의 호기심을 넘어 실제 옥상이나 건물에 통합될 수 있는 제품으로 나아가기 위해 필수적입니다.

이 연구가 문제가 완전히 해결되었음을 의미하는 것은 아닙니다. 연구진은 개선을 거듭했음에도 불구하고 은-비스무트-황화물의 전하가 여전히 비교적 빠르게 갇히며, 이로 인해 박막의 두께와 생성할 수 있는 전류량이 제한된다는 점을 언급했습니다. 그들은 다음 단계가 재료를 더욱 전도성 있게 만드는 것, 예를 들어 결정의 배열 방식을 변경하여 전하가 더 멀리 이동할 수 있도록 하는 것이라는 점을 확인했습니다. 그러나 이번 연구는 명확한 새로운 길을 제시했습니다. 은-비스무트-황화물을 두껍고 안정적이며 효율적인 박막으로 만들 수 있음을 입증하고, 최초의 탠덤 태양 전지에서 성공을 보여줌으로써, 연구팀은 오늘날 존재하는 것보다 더 효율적이고, 더 안정적이며, 잠재적으로 훨씬 더 저렴하게 생산할 수 있는 차세대 태양광 기술의 문을 열었습니다.