카드뮴(Cd), 수은(Hg) 등 인체에 유해한 원소를 함유하지 않은 친환경 양자점(Quantum Dot)을 장착한 실리콘 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술을 활용하면 태양전지의 에너지 전환 효율이 기존 대비 4% 이상 높아진다.
박재근 한양대 융합전자공학부 교수 연구진은 최초로 태양전지용 갈라이트(CuGaS2)/황화아연(ZnS) 조합의 친환경 양자점을 개발했다고 13일 밝혔다. 이 재료는 흡수가 어려운 자외선 대역(407㎚ 이하) 빛을 받아 에너지 변환이 용이한 가시광선 대역(400~800㎚) 백색광으로 발광하게 해 결과적으로 에너지 전환 효율을 높인다.
기존 실리콘 태양전지가 활용하지 못하던 자외선 영역 빛 에너지로부터 추가적인 전력 생산이 가능해짐에 따라 전력변환효율(PCE:Power conversion efficiency)이 양자점을 장착하기 전보다 4.11% 향상시킨다는 것이 연구진의 설명이다.
이번 연구에서 개발된 CuGaS2/ZnS 친환경 양자점은 흡수한 빛의 에너지 일부를 잃고 보다 긴 파장의 빛을 방출하는 스토크스 전이(Stokes shift)를 극대화(190㎚ 이상) 함으로써 양자점의 흡수 대역과 발광 대역 중첩을 최소화했다.
이를 통해 양자점이 발광한 빛을 양자점이 다시 흡수하는 자기재흡수(self-reabsorption) 현상을 최소화한 것이 특징이다. 또한 공정 단순화 기술인 단일용기합성(one-pot synthesis)를 통해 원가를 절감할 수 있다. 2000㎖ 플라스크를 이용해 1회 공정에 11g의 양자점을 합성하는 그램 스케일(gram-scale) 합성을 성공하면서 대량생산 가능성도 확인했다.
연구진은 “이는 친환경 양자점의 상용화 가능성을 높여주는 대목으로, 태양전지 분야뿐만 아니라 다른 광전자 분야에서의 활용 가능성이 매우 높음을 시사한다”고 설명했다.
이번 연구결과는 에너지 재료분야 저명 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials) 인터넷판에 6월 12일자로 소개됐다.
한주엽 반도체 전문기자 powerusr@etnews.com
