양자점 기반 차세대 태양전지, 손실없는 고전압 출력 가능성 열었다(계산과학연구센터 김동훈 박사)

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