양자점 기반 차세대 태양전지,
손실없는 고전압 출력 가능성 열었다.


 - KIST-MIT 공동 연구진, 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인 규명
 - 향후, 출력전압 최대 180%까지 상승 기대, 상용화에 한 걸음 더 다가설 것

 

양자점(Quantum Dot) 태양전지는 저렴한 공정비와 훌륭한 안정성을 바탕으로 기존의 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있다. 하지만, 양자점 태양전지의 출력전압이 유독 낮아 상용화에는 큰 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내 연구진이 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인을 규명하여, 고전압 출력 가능성을 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 미국 MIT 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 교수팀과의 공동연구를 통해 양자점 태양전지에 사용되는 황화납(PbS) 양자점 재료의 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함(vacancy)이 다량 존재할 수 있음을 확인하고, 이러한 공공결함으로 태양전지의 출력전압 값이 크게 제한되는 것을 밝혔다.

태양전지 내에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 가장 중요한 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트(volt) 이상의 전압출력이 가능하나 실제 출력값은 약 0.5볼트(volt)에 그친다. 하지만 전압손실의 원인이 불분명하여 관련 학계 내에서 이를 해결하기 위한 뚜렷한 실험적 개선책이 없는 실정이었다.

그림 1. 양자점 재료의 표면에 존재하는 특정 공공결함이 태양전지의 출력전압 값을 크게 제한함을 나타내는 본 연구의 대표 그림

 

KIST-MIT 공동 연구진은 이를 규명하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 범밀도함수론* 계산법과 흡광/발광 실험측정기를 동시에 활용하여, 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 야기할 수 있음을 찾아내었다.
*범밀도함수론(Density functional theory): 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나임.

그림 2. 흡광/발광 실험측정기를 이용한 황화납 양자점의 스토크스 시프트 측정결과

그림 3. 범밀도함수론 계산법을 이용한 양자점 재료 내의 전화 국소화 현상 발견 및 스토스크 시프트 값 변화

연구진은 양자점 태양전지의 전압손실원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성, 즉 공공결함의 양이 매우 큰 스토크스 시프트**(Stokes shift)를 발생시키는 것을 밝혀낸 것이다. 연구진은 본 연구를 바탕으로 스토크스 시프트를 최소화 시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 재료 또는 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 많이 줄여 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있다.
**스토크스 시프트 (Stokes shift): 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 매우 크다고 알려짐.

 

KIST 김동훈 박사는 “본 연구는 향후 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다.”고 말하며, “이를 통해 출력전압이 최대 현재수준의 180%까지 상승될 수 있을 것으로 예상하며, 양자점 태양전지는 상용화에 한 걸음 더 가까워 질 것이다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.942, JCR 분야 상위 3.27%)에 최신호(3월 13일(화))에 온라인 게재되었다.

 

 *(논문명) Origins of the Stokes shift in PbS Quantum Dots: Impact of Polydispersity,

              Ligands, and Defects
              - (제1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 박사, MIT Yun Liu 박사 과정
              - (교신저자) MIT Jeffrey Grossman 교수

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요

  - 새로운 퀀텀닷 패터닝 기술 개발로 고해상도,

대규모 양자점 화소 제작 가능
  - 능동형 퀀텀닷 발광다이오드(AMQDLED),
태양전지 등 광범위한 분야에 활용 기대  
   *퀀텀닷 : 양자점, 자체적으로 빛을 내는 나노미터(nm)의 초미세 반도체 결정

 

고성능 디스플레이 경쟁이 뜨거운 가운데, 퀀텀닷(양자점(Quantum Dot), QD)은 다양하고 순도 높은 빛을 발광하며 세밀한 색상 표현이 가능하여, 높은 색 재현율과 뛰어난 광변환 효율로 차세대 디스플레이 소재로 주목받고 있다. 최근 국내 연구진이 새로운 양자점 패터닝 기술로 대규모 고해상도 퀀텀닷 장치 제작에 실용적이고 비용이 적게 드는 방법을 제시했다.

한일기 박사 

박준서 연구원 

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 나노포토닉스연구센터의 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 기존 반도체 공정법을 활용한 대면적 미세 퀀텀닷(QD) 패턴 형성 기술을 개발했다. 연구진은 기존 반도체 미세 패턴 형성기술인 노광(포토리소그래피) 공정* 을 활용하여 다색 퀀텀닷 미세 패턴 형성 기술을 최초로 개발하였고, 더 나아가 이 기술을 활용하여 패턴된 전기구동 퀀텀닷 발광 소자를 구현하는데 까지 성공, 이 기술이 향후 디스플레이나 전자 소자에 활용 될 수 있는 가능성을 보였다. *노광(포토리소그래피) 공정 : 사진을 찍듯이 빛을 이용하여 미세패턴을 형성하는 기술

이미 디스플레이 업계에서는 퀀텀닷 기반 백색 광원을 제작, 액정 표시 장치(LCD)의 백라이트로 탑재시켜 퀀텀닷 디스플레이라는 이름의 제품으로 출시한 바가 있으나 퀀텀닷 자체가 각 색상을 발광하는 진정한 의미의 퀀텀닷 디스플레이는 구현하지 못하고 있다. LCD 디스플레이 기술은 액정 표시 장치의 자체 두께로 인하여 얇게 만드는데 한계가 있고 또한 유연하거나 투명한 디스플레이 등에 응용하기 어렵다는 문제가 있다. 때문에 기존 스마트폰 등에 탑재된 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED)처럼 각 퀀텀닷 화소가 직접 색을 내는 디스플레이 기술에 대한 수요가 있었으나 여러 가지 난관이 있었다. 퀀텀닷을 능동형 발광 디스플레이에 활용하기 위해서는 우선 여러 종류의 액상으로 분산되어 있던 퀀텀닷을 원하는 위치에 색상별로 고정시켜야하는 기술이 필요하며, 다양한 색상의 패턴을 고해상도로 대면적으로 형성하는데 있어 기술 접근성의 어려움, 공정비용의 상승의 문제 등 여러 기술적, 경제적 제한이 있었다.

연구진은 이번 개발된 기술이 대면적 전자소자 공정에도 활용되는 기술임에 따라 공정 난이도가 낮고, 공정당 퀀텀닷 소모량이 적다는 점에서 공정비용을 줄일 수 있다고 밝혔다. 향후 다양한 퀀텀닷 기반 소자 개발에 필요한 패턴기술의 대안이 될 수 있을 것이라 기대하고 있다.  이번 연구를 통해 한일기 박사, 박준서 연구원팀은 “기존 반도체 공정 기술을 다색 퀀텀닷 패턴 형성에 응용할 수 있다는 점에서 차별점이 있으며, 활용성이 높아 퀀텀닷 기반 소자 개발에 도움이 될 것으로 기대된다. 향후 AMOLED에 들어가는 유기물을 퀀텀닷으로 대체한 고해상도 디스플레이(AMQDLED)나 다파장 퀀텀닷 기반 광센서 등의 분야로 확장될 수 있는 기술이다.”라고 밝혔다.

 

본 연구는 미래창조과학부(장관 최양희, 전담기관: 한국연구재단) 미래유망융합기술 파이오니어사업 스펙트럼제어 융합연구단(단장: 한일기 박사/KIST) 지원을 통해 수행되었다. 연구결과는 나노 분야 국제학술지인 ‘Nano Letters’(IF:13.779)에 11월 9일자 최신호에 게재되었고, 국제 유명 과학 뉴스 웹사이트 phys.org에 특집 기사(Featured article)로 소개되기도 했다.

*phys.org 특집 기사(Featured article) 링크
http://phys.org/news/2016-11-scientists-bottleneck-fabricating-quantum-dot.html

 

 * (논문명) ‘Alternative Patterning Process for Realization of Large-area, Full-color, Active Quantum Dot Display ’
      - (제 1저자) 한국과학기술연구원 박준서 연구원,
                        동국대학교 김지훈 연구교수,
                        한국과학기술연구원 김홍희 학생연구원
      - (교신저자) 한국과학기술연구원 한일기 박사, 박준서 연구원

 

[언론사별 보도 현황이 궁금하시면 아래 언론사명을 클릭하세요]

아주경제

이데일리

연합뉴스

매일경제

아시아경제

충청투데이

동아사이언스

 연합뉴스2

YTN 사이언스

 

 

Posted by KIST PR

댓글을 달아 주세요