실리콘과 페로브스카이트 효율격차 줄인 것이 핵심

[Industry News 박관희 기자] 최근 국내 연구진이 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인을 규명해, 고전압 출력 가능성을 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다. 한국과학기술연구원(이하 KISTI] 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 불분명해 관련 학계 내에서 이를 해결하기 위한 뚜렷한 실험적 개선책이 없는 실정이었다.

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 찾아냈다. 범밀도함수론(Density functional theory)은 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나이다.

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)는 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 매우 크다고 알려져 있다. 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.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’ 최신호에 온라인 게재됐다.

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