KIST-MIT 공동 연구진, 양자점 태양전지의 출력전압 손실 원인 규명
출력전압 최대 180%까지 구현해 상용화 추진

양자점(Quantum Dot) 태양전지는 공정비가 저렴하고, 안정성이 높다는 점에서 기존 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있다. 이 태양전지가 출력전압이 낮아 상용화에 어려움을 겪던 상황에서 관련 문제를 해결할 수 있는 방안이 나왔다.

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. 

양자점 재료의 표면에 존재하는 특정 공공결함이 태양전지의 출력전압 값을 크게 제한한다는 사실이 나타난다.<자료=KIST 제공>
양자점 재료의 표면에 존재하는 특정 공공결함이 태양전지의 출력전압 값을 크게 제한한다는 사실이 나타난다.<자료=KIST 제공>
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