안티모니 황화물 태양전지 800밀리볼트 전압 장벽 돌파

초록

화학욕조증착(CBD) 공정에 시트르산 착화제를 첨가해 결함 밀도를 크게 낮춘 Sb₂S₃ 얇은 막을 제작하였다. 깊이 레벨 트랜지언트 스펙트로스코피(DLTS)와 첫 원리 계산을 통해 0.4–0.7 eV 위쪽에 존재하는 두 종류의 깊은 트랩이 주로 황 결손(V_S) 혹은 Sb가 S 자리로 들어가는 안티사이트(Sb_S)임을 확인했다. grain boundary(GB) 밀도를 1114 nm μm⁻²에서 585 nm μm⁻²로 절반 이하로 감소시키면서 트랩 농도가 크게 낮아졌고, 결과적으로 개방 회로 전압(V_OC)이 824 mV로 사상 최고치를 기록했다. 이는 자기‑트래핑(self‑trapping) 가설이 아닌 결함‑제어가 전압 손실의 주된 원인임을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

본 연구는 Sb₂S₃ 태양전지의 전압 손실 메커니즘에 대한 두 가지 기존 가설—자기‑트래핑과 결함‑매개 재결합—을 정량적으로 구분하려는 시도이다. 화학욕조증착(CBD) 공정에 소량의 시트르산(SC) 리간드를 첨가함으로써 전구체 용액의 착화 균형을 조절하고, Sb₂S₃ 핵 형성 속도를 억제하면서 입자 성장 단계에서 큰 결정립이 형성되도록 유도하였다. SEM 및 TEM 분석 결과, 4 mM SC 첨가 시 평균 결정립 직경이 5 μm 이상으로 증가하고, GB 길이당 면적(GB density)이 1114 nm μm⁻²에서 585 nm μm⁻²로 약 50 % 감소하였다. 이는 다결정 박막에서 흔히 발생하는 비정질 GB 부위의 비활성 결함 밀도가 크게 억제됨을 의미한다.

DLTS 측정에서는 두 개의 깊은 전자 트랩이 각각 0.45 eV와 0.68 eV 정도의 활성화 에너지를 보였으며, 트랩 밀도는 SC 농도가 증가함에 따라 1.2 × 10¹⁶ cm⁻³ 수준에서 3.5 × 10¹⁵ cm⁻³ 수준으로 감소하였다. 첫 원리 DFT 계산에서는 S 결손(V_S)와 Sb가 S 자리로 치환되는 안티사이트(Sb_S)가 밴드갭 위쪽에 0.4–0.7 eV 깊이의 심층 레벨을 형성한다는 것이 확인되었다. 이러한 결함은 전자와 정공을 동시에 포획하여 비방사 재결합을 촉진하고, quasi‑Fermi level splitting을 감소시켜 V_OC를 제한한다.

전기적 특성 측면에서, 4 mM SC 처리된 장치는 V_OC 824 mV, J_SC 16.44 mA cm⁻², FF 56.7 %를 달성해 PCE 7.67 %를 기록하였다. 특히 V_OC가 800 mV를 넘어선 것은 기존 자기‑트래핑 모델이 예측한 상한을 초과하는 결과이며, 이는 결함 밀도 감소가 전압 손실을 근본적으로 해소할 수 있음을 시사한다. 또한, 실내 조명(1000 lux) 하에서 18.56 %의 효율을 보이며, 저조도 환경에서도 높은 전압 유지율(ΔV_OC ≈ 61 mV)과 안정성을 확인했다.

결론적으로, Sb₂S₃의 전압 손실은 주로 깊은 결함에 기인하며, 화학적 리간드 첨가를 통한 결함 엔지니어링이 방사 한계에 근접한 성능을 구현할 수 있음을 입증한다. 이는 Sb‑계열 광흡수체가 자체적인 전자‑격자 결합에 의해 근본적인 한계에 봉착하지 않으며, 제조 공정 최적화를 통해 상용화 가능성을 크게 확대할 수 있음을 의미한다.