차세대 태양전지로 주목받는 양자점 태양전지에서 전압 손실이 발생하는 것은 표면 공공결함(vacancy) 때문인 것으로 나타났다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 이병권)은 김동훈 계산과학연구센터 박사팀이 제프리 그로스만 미국 메사추세츠공대(MIT) 교수팀과 공동 연구를 통해 양자점 태양전지의 전압 손실 원인을 규명했다고 19일 밝혔다.
연구팀은 양자점 태양전지에 사용되는 황화납(PbS) 재료 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함(vacancy)이 다량 존재할 수 있음을 확인했다. 이 때문에 태양전지의 출력전압이 제한된다고 분석했다.
양자점 태양전지는 저렴한 공정비, 높은 안정성으로 기존 실리콘 태양전지 단점을 보완할 차세대 소자로 주목받는다. 출력 전압이 낮아 상용화에 어려움을 겪었다.
태양전지 출력전압은 에너지 전환 효율과 직결된다. 이론 상 황화납 양자점 태양전지는 약 0.9V 이상의 출력전압이 가능하다. 실제 출력값은 약 0.5V에 그친다.
연구팀은 원자 단위 조절이 가능한 범밀도함수론 계산법, 흡광·발광 실험측정기를 동원해 원인을 규명했다. 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 전압 손실을 야기할 수 있음을 알아냈다.
연구팀은 공공결함이 스토크스 시프트로 이어진다고 지적했다. 스토크스 시프트는 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상이다.
연구팀은 스토크스 시프트 최소화 연구가 계속된다면 양자점 태양전지가 실리콘, 페로브스카이트 소재와의 효율 격차를 줄일 것이라고 내다봤다.
김동훈 KIST 박사는 “양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것”이라면서 “출력 전압이 최대 현재의 180%까지 상승될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
연구 결과는 국제학술지 'ACS나노'에 실렸다. 과학기술정보통신부 지원을 받은 KIST 기관고유사업으로 수행됐다.
송준영기자 songjy@etnews.com
