국내 연구진, 태양전지 고전압 출력 가능성 열었다
국내 연구진, 태양전지 고전압 출력 가능성 열었다
  • 박연수
  • 승인 2018.03.21 10:50
  • 조회수 1728
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정부는 단독 주택이나 아파트 등 공동주택, 일반 건물 및 산업ㆍ상업시설에 자가용 신재생에너지 설비를 설치할 때 보조금을 지원해주고 있습니다. 2004년부터는 태양광 발전을 주택에 보급하는 사업을 실시하는 중인데요. 태양광을 설치하면 지원금을 주는 제도입니다.

 

한국에너지공단의 자료를 보면 태양광 발전이란 태양전지 모듈과 발생된 직류전압을 교류로 변환시키는 인버터 등으로 구성된 태양광발전시스템을 이용해 태양광을 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 방식입니다. 

 

태양광 발전에서 가장 중요한 역할을 하는 것은 '태양전지'입니다. 태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지인데요. 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체가 만난 부분에 빛을 쪼이면 빛을 전기로 바꾼다고 합니다.

 

태양전지! 출처:fotolia<br>
태양전지! 출처: fotolia

태양전지는 점점 발전하고 있는데요. 그 중 양자점(Quantum Dot) 태양전지는 공정비가 저렴하고 매우 안정적이어서 기존 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있습니다.

 

여기서 양자점(Quantum dot)이란 말도 생소한데요. 양자점이란 크기가 머리카락 굵기의 수만 분의 1에 불과한 초미세 반도체 입자를 말합니다. 이를 이용한 것이 태양전지죠. 하지만, 양자점 태양전지의 출력전압이 유독 낮아 상용화에는 큰 어려움을 겪고 있었습니다.

 

양자점 태양전지. 출처: KIST
양자점 태양전지. 출처: KIST

최근 국내 연구진이 양자점 태양전지의 출력전압이 손실되는 원인을 규명했대요. 이렇게 되면 고전압 출력도 가능해질텐데요. 실제 그런 가능성을 제시해 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다고 합니다. 

 

한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 미국 MIT 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 교수팀과의 공동연구를 통해 양자점 태양전지에 사용되는 황화납 양자점 재료 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함이 다량 존재할 수 있음을 확인했습니다. 이로 인해 태양전지의 출력전압이 크게 제한되는 문제를 밝혀냈죠.

 

태양전지 내에서 출력전압의 크기는 에너지 전환 효율을 결정짓는 가장 중요한 요인입니다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트(volt) 이상의 전압출력이 가능하나 실제 출력값은 약 0.5볼트(volt)에 그친다고 해요. 

 

흡광/발광 실험측정. 출처: KIST
흡광, 발광 실험측정. 출처: KIST

지금까지는 전압손실의 원인이 불분명해 관련 학계 내에서 이를 해결하기 위한 뚜렷한 실험적 개선책이 없는 실정이었습니다. KIST-MIT 공동 연구진은 이를 규명하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 범밀도함수론 계산법과 흡광·발광 실험측정기를 동시에 활용했습니다.

 

그 결과, 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 야기할 수 있음을 찾아냈습니다. 참고로 범밀도함수론이란 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나입니다.

 

범밀도함수론 계산. 출처:  KIST
범밀도함수론 계산. 출처: KIST

연구진은 양자점 태양전지의 전압손실 원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성을 밝혀냈는데요. 공공결함이 있으면 매우 큰 스토크스 시프트를 발생시킨다고 합니다.

 

<이웃집과학자>와의 인터뷰에서 KIST 김동훈 박사는 "바로 이 점이 이 연구 결과의 핵심"이라고 말했습니다. 먼저, 공공결함은 결함 중 가장 단순한 빈 격자점을 말하며, 일반적으로 원자의 분실에 의해 형성되는 결함이라고 설명하면서 양자점 재료에 공공결함이 있으면 매우 큰 스토크스 시프트를 발생시킬 뿐 아니라 양자점 태양전지의 전압을 크게 제한한다고 설명했습니다.  
 

연구진은 본 연구를 바탕으로 스토크스 시프트를 최소화시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 재료 또는 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 많이 줄여 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있습니다.

 

KIST 김동훈 박사는 "본 연구는 향후 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다"고 말하며, "이를 통해 출력전압이 최대 현재 수준의 180%까지 상승될 수 있을 것으로 예상하며, 양자점 태양전지는 상용화에 한 걸음 더 가까워 질 것"이라고 밝혔습니다. 

 

KIST 김동훈 박사. 출처: KIST
KIST 김동훈 박사. 출처: KIST

<이웃집과학자>와의 인터뷰에서 김동훈 박사는 "저는 태양전지 전문가입니다. 앞으로 양자점 태양전지의 효율과 안정성을 높이고 제조공정 가격을 낮추는 방법을 개발하여, 기존의 실리콘 태양전지를 대체하는 상용화 옵션으로 만들 것, 태양전지의 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 새로운 재료를 인공지능을 이용하여 찾아낼 것"이라고 포부를 드러냈습니다.

 

본 연구 결과는 나노과학분야의 국제학술지인 <ACS Nano>에 게재됐습니다.



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