단일체 셀레늄/실리콘 탠덤 태양전지: 최초 실증 및 분석

1. 서론 및 개요

실리콘 광전지는 시장을 지배하고 있지만 단일 접합 효율 한계(~26.8%)에 근접하고 있습니다. 탠덤 태양전지는 실리콘 하부 전지 위에 넓은 밴드갭 상부 전지를 적층하여 효율 30% 이상을 달성할 수 있는 명확한 경로를 제공합니다. 본 연구는 셀레늄(Se) 상부 전지와 실리콘(Si) 하부 전지의 최초 단일체 통합을 제시합니다. 직접 밴드갭(~1.8-2.0 eV), 높은 흡수 계수, 원소적 단순성을 가진 셀레늄은 유망하지만 역사적으로 정체된 후보 물질로, 탠덤 응용을 위해 부활하고 있습니다.

2. 소자 구조 및 제작

2.1 단일체 적층 구조

소자는 단일체 방식으로 제작되었으며, 이는 상부와 하부 전지가 터널 접합 또는 재결합층을 통해 직렬로 전기적으로 연결됨을 의미합니다. 아래에서 위로의 일반적인 층 구조는 다음과 같습니다:

• 하부 전지: 도핑된 폴리실리콘(n+ 및 p+) 캐리어 선택적 접촉층과 ITO 캡층을 갖춘 n형 c-Si 기판.
• 상호연결/터널 접합: 저항이 낮고 광학적으로 투명한 캐리어 재결합을 위한 핵심 요소.
• 상부 전지: p형 다결정 셀레늄(poly-Se) 흡수층.
• 캐리어 선택적 접촉층: 전자 선택층(ZnMgO 또는 TiO₂) 및 정공 선택층(MoO_x).
• 전면 전극: 전류 수집을 위한 Au 그리드가 있는 ITO.

2.2 재료 선택 및 공정

셀레늄의 낮은 녹는점(220°C)은 기저 실리콘 전지와 호환되는 저온 공정을 가능하게 합니다. 캐리어 선택적 접촉층의 선택이 핵심입니다. 초기 소자는 ZnMgO를 사용했으나, 이후 시뮬레이션을 통해 TiO₂가 전자 수송 장벽을 줄이는 데 더 우수함이 확인되었습니다.

3. 성능 분석 및 결과

3.1 초기 소자 성능

최초의 단일체 Se/Si 탠덤은 suns-V_oc 측정에서 1.68 V의 유망한 개방 회로 전압(V_oc)을 보여주었습니다. 이 높은 V_oc는 개별 전지 전압의 합에 근접하므로 우수한 재료 품질과 효과적인 밴드갭 짝짓기의 강력한 지표입니다.

3.2 캐리어 선택적 접촉 최적화

초기 ZnMgO 전자 접촉층을 TiO₂로 교체하여 출력이 10배 증가했습니다. 이 극적인 개선은 작은 에너지 장벽이 심각한 전류 병목 현상을 일으킬 수 있는 탠덤 전지에서 계면 공학의 중요한 역할을 강조합니다.

3.3 주요 성능 지표

• 개방 회로 전압 (V_oc): 1.68 V (suns-V_oc).
• 의사 충전 계수 (pFF): >80%. 주입 수준에 따른 V_oc 측정에서 도출된 이 높은 값은 주요 손실이 흡수층 내의 근본적인 재결합 손실이 아니라 기생 직렬 저항임을 나타냅니다.
• 효율 제한 요인: 확인된 수송 장벽으로 인한 낮은 충전 계수(FF) 및 전류 밀도(J_sc).

4. 기술적 통찰 및 과제

4.1 수송 장벽 및 손실 메커니즘

핵심 과제는 이종 계면을 가로지르는 비이상적인 캐리어 수송입니다. SCAPS-1D 시뮬레이션은 전자 선택적 접촉층(ZnMgO/Se 계면)에서 상당한 에너지 장벽이 존재하여 셀레늄 흡수층에서의 전자 추출을 차단함을 보여주었습니다. 이는 높은 직렬 저항으로 나타나 FF와 J_sc를 제한합니다.

4.2 시뮬레이션 기반 설계 (SCAPS-1D)

표준 태양전지 커패시턴스 시뮬레이터인 SCAPS-1D의 사용은 문제 진단에 결정적이었습니다. 에너지 밴드 다이어그램을 모델링함으로써 연구자들은 수송 장벽의 정확한 위치와 높이를 파악할 수 있었고, 이는 Se와 더 유리한 전도대 정렬을 갖는 TiO₂로 ZnMgO를 표적 교체하는 결과로 이어졌습니다.

5. 핵심 분석가 통찰: 4단계 해체 분석

핵심 통찰: 이 논문은 고효율 챔피언 소자에 관한 것이 아닙니다. 이는 진단 공학의 모범 사례입니다. 저자들은 교묘한 계측법과 시뮬레이션의 조합을 사용하여 새롭고 잠재력 높은 재료 시스템(Se/Si)의 아킬레스건—계면 수송—을 정확하게 규명했습니다. 진짜 이야기는 헤드라인 효율 수치가 아니라 방법론입니다.

논리적 흐름: 논리는 흠잡을 데 없습니다: 1) 최초의 단일체 소자 제작(그 자체로 업적). 2) 유망한 V_oc와 열악한 FF 관찰. 3) suns-V_oc를 사용하여 직렬 저항을 범인으로 격리(pFF >80%는 결정적 데이터 포인트). 4) SCAPS-1D를 배치하여 문제의 에너지 장벽을 시각화. 5) 재료 교체(ZnMgO→TiO₂) 및 10배 이득 달성. 이는 교과서적인 문제 해결 과정입니다.

강점과 결점: 강점은 소자 최적화에 대한 명확하고 물리학 중심의 접근 방식입니다. 저자들이 공개적으로 인정한 결점은 이 소자가 여전히 낮은 전류를 가진다는 점입니다. 높은 V_oc는 매력적이지만, 광학 손실(아마도 poly-Se 및 ITO 층에서 상당함)과 추가적인 접촉 공학을 해결하지 않으면 효율 상한선은 낮습니다. 페로브스카이트/Si 탠덤에서 볼 수 있는 빠른 경험적 최적화와 비교할 때, 이 접근 방식은 더 느리지만 더 근본적일 수 있습니다.

실행 가능한 통찰: 산업계에 대한 메시지는 두 가지입니다. 첫째, Se/Si는 독특한 단순성 장점을 가진 실행 가능한 연구 경로입니다. 둘째, 여기서 시연된 도구 모음—suns-V_oc, pFF 분석, SCAPS 모델링—은 새로운 탠덤 구조를 개발하는 모든 팀의 표준 장비가 되어야 합니다. 투자자들은 광학 설계를 다루고 전류 밀도 >15 mA/cm²를 보여주는 후속 연구를 주시해야 합니다. 그때까지는 이는 유망하지만 초기 단계의 플랫폼입니다.

6. 독자적 분석: 태양광 분야에서 셀레늄의 르네상스

이 연구에서 입증된 바와 같이 태양광 분야에서 셀레늄의 부활은 "오래된 재료, 새로운 기술"의 매력적인 사례입니다. 수십 년 동안 셀레늄은 최초의 고체 태양전지 재료로서 역사책으로 밀려났으며, 실리콘의 산업적 지배력에 가려졌습니다. 최근의 부활은 안정적이고, 넓은 밴드갭을 가지며, 공정이 단순한 파트너가 성배인 실리콘 탠덤 패러다임의 특정 요구에 의해 주도됩니다. 페로브스카이트/실리콘 탠덤이 급속한 효율 상승으로 주목을 받았지만, 안정성과 납 함유량 문제로 고심하고 있습니다. 2023년 NREL 최고 연구용 전지 효율 차트에서 언급된 바와 같이, 페로브스카이트/Si 탠덤은 효율 면에서 선두지만 "신흥 태양광"에 대한 별도의 열을 가지고 있어 지속되는 신뢰성 문제를 강조합니다.

이 연구는 셀레늄을 설득력 있는, 비록 약자이지만 대안으로 위치시킵니다. 그 단일 원소 구성은 CIGS나 페로브스카이트와 같은 화합물 반도체의 화학량론적 및 상분리 문제를 제거하는 근본적인 장점입니다. 보고된 셀레늄 박막의 공기 중 안정성은 또 다른 중요한 차별점으로, 캡슐화 비용을 줄일 가능성이 있습니다. 저자들이 달성한 1.68 V V_oc는 사소하지 않습니다. 이는 셀레늄 상부 전지가 전압 측면에서 약한 고리가 아님을 나타냅니다. 이는 Si 하부 전지에 대한 최적의 상부 전지 밴드갭이 약 1.7-1.9 eV임을 보여주는 쇼클리-퀴서 상세 균형 한계와 일치합니다—셀레늄의 적정 범위 내에 있습니다.

그러나 앞으로의 길은 가파릅니다. 페로브스카이트 기반 탠덤과의 효율 격차는 큽니다. 미국 국립재생에너지연구소(NREL)는 페로브스카이트/Si 탠덤 효율 기록을 33% 이상으로 추적하는 반면, 이 Se/Si 소자는 첫 실증 단계에 있습니다. 저자들이 전문적으로 진단한 바와 같이 주요 과제는 이종 계면에서의 수송 물리입니다. 이는 접촉 공학이 가장 중요했던 초기 유기 태양전지 연구를 연상시키는, 새로운 태양광 재료에서 흔한 주제입니다. Se/Si 탠덤의 미래는 결함 패시베이션 및 밴드 정렬 접촉 재료 라이브러리 개발에 달려 있습니다—이는 Spiro-OMeTAD 및 SnO₂와 같은 화합물로 페로브스카이트 커뮤니티가 직면하고 부분적으로 해결한 것과 유사한 재료 과학적 도전입니다. 셀레늄이 다른 신흥 태양광 분야에서 배운 계면 공학 교훈을 활용할 수 있다면, 그 고유의 안정성과 단순성은 탠덤 경쟁에서 다크호스 경쟁자가 될 수 있습니다.

7. 기술적 상세 및 수학적 형식

분석은 주요 태양광 방정식과 시뮬레이션 매개변수에 의존합니다:

1. Suns-V_oc 방법: 이 기법은 V_oc를 광 강도의 함수로 측정하여 다이오드 특성에서 직렬 저항 효과를 분리합니다. 관계식은 다음과 같습니다:
$V_{oc}(S) = \frac{n k T}{q} \ln(S) + V_{oc}(1)$
여기서 $S$는 suns 강도, $n$은 이상성 인자, $k$는 볼츠만 상수, $T$는 온도, $q$는 기본 전하량입니다. 선형 피팅은 이상성 인자를 나타냅니다.

2. 의사 충전 계수 (pFF): suns-V_oc 데이터에서 도출되며, 직렬 저항($R_s$) 및 션트 손실($R_{sh}$)이 없을 때의 최대 가능한 FF를 나타냅니다. 추출된 다이오드 전류-전압($J_d-V$) 특성을 적분하여 계산됩니다:
$pFF = \frac{P_{max, ideal}}{J_{sc} \cdot V_{oc}}$
pFF > 80%는 벌크 접합 품질이 높고 손실이 주로 저항성임을 나타냅니다.

3. SCAPS-1D 시뮬레이션 매개변수: Se/Si 탠덤 모델링을 위한 주요 입력값은 다음과 같습니다:
- 셀레늄: 밴드갭 $E_g = 1.9$ eV, 전자 친화도 $χ = 4.0$ eV, 유전 상수 $ε_r ≈ 6$.
- 계면: 이종 접합에서의 결함 밀도($N_t$), 포획 단면적($σ_n, σ_p$).
- 접촉층: ZnMgO(~4.0 eV) 대 TiO₂(~4.2 eV)의 일함수는 Se와의 전도대 오프셋($ΔE_c$)에 결정적으로 영향을 미칩니다.

8. 실험 결과 및 차트 설명

그림 설명 (본문 기반): 논문에는 아마도 두 가지 핵심 개념적 그림이 포함되어 있을 것입니다.

그림 1: 소자 구조 개략도. 단일체 적층을 보여주는 단면도: "Ag / poly-Si:H (n+) / c-Si (n) / poly-Si:H (p+) / ITO / [터널 접합] / ZnMgO 또는 TiO₂ (n+) / poly-Se (p) / MoO_x / ITO / Au-grid." 이는 직렬 연결과 단일체 통합에 필요한 복잡한 재료 적층을 설명합니다.

그림 2: SCAPS-1D의 에너지 밴드 다이어그램. 이는 결정적인 진단 그림입니다. 나란히 두 개의 다이어그램을 보여줄 것입니다:
a) ZnMgO 사용: ZnMgO/Se 계면에서 전도대에 현저한 "스파이크" 또는 장벽이 나타나 셀레늄 흡수층에서 접촉층으로의 전자 흐름을 차단합니다.
b) TiO₂ 사용: 더 유리한 "클리프" 또는 작은 스파이크 정렬로, 열이온 방출을 용이하게 하고 전자 수송 장벽을 줄입니다. 이 장벽의 낮춤이 10배 성능 향상을 직접 설명합니다.

암시된 전류-전압(J-V) 곡선: 본문은 초기 소자가 높은 직렬 저항으로 인해 특징적인 "S자형" 또는 심하게 휜 J-V 곡선을 보일 것임을 시사합니다. ZnMgO를 TiO₂로 교체한 후, 곡선은 더 정사각형에 가까워지고 충전 계수와 전류 밀도가 개선되지만, 챔피언 전지와 비교하면 여전히 제한적일 것입니다.

9. 분석 프레임워크: 비코드 사례 연구

사례 연구: 새로운 탠덤 전지의 손실 진단

시나리오: 한 연구 그룹이 새로운 단일체 탠덤 전지(실리콘 위의 재료 X)를 제작했습니다. 높은 V_oc를 보이지만 효율이 실망스럽게 낮습니다.

프레임워크 적용 (본 논문에서 영감을 받음):

1. 1단계 - 손실 유형 격리: suns-V_oc 측정 수행. 결과: 높은 pFF (>75%). 결론: 광전 변환 접합 자체는 양호함. 손실은 주로 벌크 또는 계면 재결합에서 오는 것이 아님.
2. 2단계 - 저항성 손실 정량화: pFF에서의 이상적인 전력과 측정된 전력의 차이는 저항성 전력 손실을 제공합니다. 큰 격차는 높은 직렬 저항을 가리킵니다.
3. 3단계 - 장벽 위치 파악: 소자 시뮬레이션 소프트웨어(예: SCAPS-1D, SETFOS) 사용. 적층 모델 구축. 캐리어 선택적 접촉층의 전자 친화도/일함수를 체계적으로 변화시킴. 작동 조건에서 밴드 다이어그램에 큰 에너지 장벽을 생성하는 계면을 식별.
4. 4단계 - 가설 및 검증: 가설: "전자 접촉 재료 Y는 재료 X와 +0.3 eV의 전도대 오프셋을 가져 차단 장벽을 유발한다." 검증: 예측된 0에 가까운 또는 음의(클리프) 오프셋을 가질 것으로 예상되는 재료 Z로 재료 Y 교체.
5. 5단계 - 반복: 새로운 소자 측정. FF와 J_sc가 크게 개선되면 가설이 맞았음. 그런 다음 다음으로 큰 손실(예: 광학적 흡수, 정공 접촉)로 이동.

이 구조화된, 물리학 기반의 프레임워크는 시행착오를 넘어서며, 모든 신흥 탠덤 기술에 직접 적용 가능합니다.

10. 미래 응용 및 개발 로드맵

단기 (1-3년):

• 접촉 공학: 셀레늄 전용 새로운 전자/정공 수송층의 발견 및 최적화. 도핑된 금속 산화물, 유기 분자, 2차원 재료를 스크리닝해야 함.
• 광학 관리: 광 포획 구조(텍스처링, 격자) 통합 및 반사 방지 코팅 최적화로 Se 상부 전지의 전류 밀도 향상(접촉층에서의 불완전 흡수 또는 기생 흡수에 의해 제한될 가능성 있음).
• 밴드갭 조정: 셀레늄-텔루륨(SeTe) 합금 탐구로 Si 탠덤에 이상적인 1.7 eV에 더 가깝게 밴드갭 미세 조정, 전류 정합 개선 가능성.

중기 (3-7년):

• 확장 가능한 증착: 실험실 규모의 열 증발에서 셀레늄을 위한 기상 수송 증착 또는 스퍼터링과 같은 확장 가능한 기술로 전환.
• 터널 접합 최적화: 상부 전지 공정을 견딜 수 있는 고도로 투명하고 저항이 낮으며 견고한 상호연결층 개발.
• 첫 효율 이정표: 공인된 Se/Si 탠덤 전지 효율 >15% 달성 입증, 개념이 개념 증명 단계를 넘어설 수 있음을 보여줌.

장기 및 응용 전망:

• 양면형 및 농업용 태양광: 셀레늄의 반투명성(박막화를 통해) 잠재력을 양면형 모듈 또는 부분적 광 투과가 필요한 농업용 태양광 시스템에서 활용.
• 우주 태양광: 보고된 셀레늄의 방사선 내성과 안정성은 효율과 무게가 가장 중요한 우주 응용에서 Se/Si 탠덤을 흥미롭게 만들 수 있음.
• 저비용 틈새 시장: 제조 가능성과 효율(>20%)이 입증될 수 있다면, Se/Si 탠덤은 극도의 안정성과 단순한 공급망이 다른 기술이 보유한 궁극적 효율 왕관보다 더 중요한 시장 부문을 목표로 할 수 있음.

11. 참고문헌

1. Nielsen, R., Crovetto, A., Assar, A., Hansen, O., Chorkendorff, I., & Vesborg, P. C. K. (2023). Monolithic Selenium/Silicon Tandem Solar Cells. arXiv preprint arXiv:2307.05996.
2. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2023). Best Research-Cell Efficiency Chart. Retrieved from https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
3. Shockley, W., & Queisser, H. J. (1961). Detailed balance limit of efficiency of p-n junction solar cells. Journal of Applied Physics, 32(3), 510-519.
4. Green, M. A., Dunlop, E. D., Hohl-Ebinger, J., Yoshita, M., Kopidakis, N., & Hao, X. (2023). Solar cell efficiency tables (Version 61). Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 31(1), 3-16.
5. Todorov, T., Singh, S., Bishop, D. M., Gunawan, O., Lee, Y. S., Gershon, T. S., ... & Mitzi, D. B. (2017). Ultrathin high band gap solar cells with improved efficiencies from the world's oldest photovoltaic material. Nature Communications, 8(1), 682.
6. Youngman, T. H., Nielsen, R., Crovetto, A., Hansen, O., & Vesborg, P. C. K. (2021). What is the band gap of selenium? Solar Energy Materials and Solar Cells, 231, 111322.
7. Burgelman, M., Nollet, P., & Degrave, S. (2000). Modelling polycrystalline semiconductor solar cells. Thin Solid Films, 361, 527-532. (SCAPS-1D)