요약
차세대 태양전지로 각광받는 양자점(Quantum Dot) 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있는 기술이 개발됐습니다. 양자점 태양전지의 구동 문제를 해결하기 위해 칼륨(K)을 포함한 리간드 치환 방법을 개발해 양자점 표면 산화를 억제 하는 방법을 개발했습니다. 이는 향후 양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점을 기반으로 하는 다양한 광전소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
DGIST는 에너지공학전공 최종민 교수와 토론토대학교 Edward H. Sargent 교수 연구팀이 양자점 태양전지의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 안정화 시킬 수 있는 소재 가공법을 개발해 실제 구동환경에서도 안정적인 양자점 태양전지를 구현했습니다. 해당 연구는 <Advanced Materials>에 게재됐습니다.
태양전지 핵심 소재로 각광받는 양자점
양자점은 빛 흡수 능력이 우수하고 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있어 차세대 태양전지의 핵심 소재로 각광받고 있습니다. 특히 가볍고 유연하며 공정비가 저렴하기 때문에 현재 상용중인 실리콘 태양전지의 단점을 보완하여 대체할 수 있습니다. 이 때문에 많은 연구자들이 양자점 태양전지의 성능 향상을 위한 광전변환 효율 연구를 하고 있지만, 상용화에 필수적인 안정성 향상에 관한 연구는 미비한 편입니다. 참고로 광전변환 효율이란 빛에너지를 전기에너지로 변환되는 효율의 정도를 말합니다.
특히 태양전지의 실제 구동환경인 최대 전력점(Maximum Power Point)에서 양자점 태양전지를 구동한 사례는 거의 없는 실정입니다. 태양전지는 태양의 일사량과 주변 온도에 의해 태양전지의 출력 가능한 최대 전력이 시시각각으로 바뀝니다. 효율적인 태양전지 작동을 위해 태양전지의 출력이 항상 최대 전점에서 이루어져야 하는데 이를 최대 전력점이라고 합니다.
이에 연구팀은 양자점 태양전지의 실제 상용화에 필수적인 안정성 향상을 위해 실제 구동 조건과 같이 빛과 산소 등에 장시간 노출시키며 성능 저하 원인을 분석했습니다. 그 결과, 양자점 표면의 요오드 이온이 산화로 제거되면서 산화층이 형성돼 양자점 구조의 변형을 가져왔고, 이로 인해 소자 효율이 저하되기 때문임을 규명했습니다.
연구팀은 이러한 낮은 소자 효율을 개선하고자 칼륨을 포함한 리간드 치환 방법을 개발했습니다. 리간드란 착화합물의 중심원자에 가지처럼 결합해 있는 이온 또는 분자를 말합니다. 여기에 요오드의 산화를 방지할 수 있는 칼륨이온을 양자점 표면에 도입해 치환 과정을 거쳤습니다. 이를 소자에 적용한 결과, 기존보다 더욱 높은 수준인 300시간 동안 80% 이상의 초기 효율을 유지하는 소자를 구현할 수 있었습니다.
DGIST 최종민 교수는 "이번 연구는 양자점 태양전지가 실제 구동 환경에서도 보다 안정적으로 작동할 수 있다는 것을 규명한 것"이라며 "본 연구 결과가 양자점 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.
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