한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀과 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 정연식 교수팀과의 공동연구를 통해 퀀텀닷 태양전지의 고질적 문제였던 전류 손실을 막았습니다. 연구진은 전지효율을 기존 대비 47% 상승시켜 퀀텀닷 태양전지의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔는데요. 해당 연구 논문은 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
퀸텀닷 태양전지, 상용화 어려운 이유
퀀텀닷(Quantum Dot) 태양전지는 생산비용이 저렴하고 안정성이 뛰어납니다. 덕분에 기존에 상용화돼 있는 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있죠. 하지만 퀀텀닷 태양전지는 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었습니다. 최근 KIST 연구진이 퀀텀닷 태양전지의 에너지 효율을 상승시키는 기술을 개발해 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있습니다.
퀀텀닷 태양전지는 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 핵심적인 역할을 하는 '정공수송층'이 존재합니다. 그런데 정공수송층은 빛을 흡수해 전기 에너지를 생성하는 과정에서 상당량의 전류를 손실합니다. 이를 최소화하는 것이 퀀텀닷 태양전지 성능 향상의 핵심이었습니다. 이를 해결하기 위해 전 세계 많은 연구진이 새로운 정공수송층 재료를 개발하려는 시도를 했습니다. 하지만 소재 내부에는 전류의 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생합니다. 때문에 개발하기 위한 시도는 번번이 실패로 이어졌습니다.
양자역학 활용해 극복
KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자를 제거하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 양자역학 이론(밀도범함수론)을 활용해 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)을 개발했습니다. 연구진은 거대 밴드갭 물질을 계면 물질로 도입할 시 소자가 정상 작동하지 않음을 확인했습니다. 거대 밴드갭 물질은 누설 전류를 개선하기 위해 도입되는데요. 연구진은 거대 밴드갭 물질로 인해 계면 쌍극자가 발생해 밴드구조가 뒤틀리고 전하 추출이 원활하지 않게 됨을 실험 및 이론적으로 증명했습니다.
연구진이 제안한 이중층 구조는 누설 전류를 막기 위한 거대 띠간격(Band gap) 물질과 계면 안정화 물질층으로 구성됐습니다. 계면 안정화 물질층은 계면 쌍극자로 인한 밴드 구조의 뒤틀림을 방지하는 역할을 하죠. 연구진은 새로 개발한 이중층 구조를 통해 계면 쌍극자를 제어해 소자가 정상 작동함을 확인했습니다. 동시에 개회로 전압 및 소자 효율도 크게 향상됨을 확인했습니다. 연구팀은 태양전지 내 전류 손실을 기존의 20% 수준으로 감소시켰습니다. 뿐만 아니라 전지효율을 기존대비 47% 향상시켰다고 합니다.
연구진은 신개념의 소재가 향후 관련 학계나 산업계에서 널리 사용되는 소재로 자리 잡길 기대하고 있습니다. 또한, 본 연구를 바탕으로 누설전류를 더욱 감소시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면 경쟁 소자인 실리콘 또는 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지로서의 상용화가 가능하다고 합니다.
KIST 김진영 박사는 "이번 성과는 향후 퀀텀닷 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다"며 "이를 바탕으로 출력전압과 전류를 극대화시켜, 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것"이라는 포부를 밝혔습니다.
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