KIST-MIT 공동 연구진, 양자점 태양전지의 출력전압 손실 원인 규명
출력전압 최대 180%까지 구현해 상용화 추진
KIST(원장 이병권)는 김동훈 계산과학연구센터 박사팀이 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 미국 MIT 교수팀과의 공동연구를 통해 양자점 태양전지에 사용되는 황화납 양자점 재료의 표면에 납이나 염소 원소의 공공결함(vacancy)이 다량 존재할 수 있음을 확인하고, 이를 통해 태양전지의 출력전압 값이 제한된다는 사실을 알아냈다고 19일 밝혔다.
태양전지에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 가장 중요한 요인으로 꼽힌다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트(volt) 이상의 전압출력이 가능하나 실제 출력값은 약 0.5볼트(volt) 수준이다.
이러한 전압 손실의 원인은 밝혀지지 않았고, 관련 학계에서도 이를 해결하기 위한 개선책이 부족한 실정이었다.
이에 KIST-MIT 공동 연구진은 원자 단위의 조절이 가능한 범밀도함수론 계산법과 흡광·발광 실험측정기를 동시에 활용해 이 문제를 해결했다.
범밀도함수론(Density functional theory)은 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나다.
연구진은 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 야기할 수 있다는 사실을 알아냈다.
이는 양자점 태양전지의 전압손실원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성인 공공결함의 양이 스토크스 시프트(Stokes shift)를 발생시킨다는 것을 의미한다.
스토크스 시프트(Stokes shift)는 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 크다고 알려져 있다.
연구진은 이 현상을 최소화시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면 경쟁 소자인 실리콘 재료나 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 줄여 차세대 태양전지로 상용화가 될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
김동훈 KIST 박사는 "향후 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다"면서 "출력전압이 최대 현재수준의 180%까지 상승될 수 있을 것으로 예상하며, 양자점 태양전지의 상용화에 가까워 질 것"이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행됐다. 연구결과는 나노과학분야의 국제학술지인 'ACS Nano'에 지난 13일자 최신호에 온라인 게재됐다.
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