한국과학기술연구원(KIST)과 한국과학기술원(KAIST) 연구진이 퀀텀닷 태양전지 효율을 50% 가까이 개선한 소재 및 구조를 공동 개발했다. 신소재로 정공수송층을 이중으로 만들어 전류 손실을 최소화했다.
KIST 김진영 수소·연료전지연구단 박사팀과 김동훈 계산과학연구센터 박사팀은 KAIST 정연식 신소재공학과 교수팀과의 공동 연구를 통해 퀀텀닷 태양전지의 고질적인 문제이던 전류 손실을 막아 전지 효율을 기존 대비 47% 상승시켰다고 28일 밝혔다.
퀀텀닷 태양전지는 생산비용이 저렴하고 안정성이 뛰어나다. 현재 널리 쓰이는 실리콘 태양전지가 흡수하지 못하는 적외선 광선을 흡수한다. 이런 특성을 이용해 실리콘 태양전지 등의 보완재로 활용하면 태양전지 효율을 대폭 상승시킬 수 있다.
그러나 기존 퀀텀닷 태양전지는 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 어려움을 겪었다.
퀀텀닷 태양전지의 구성 요소인 정공수송층은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 핵심 구조다. 빛을 흡수해 전기 에너지를 생성하는 과정에서 상당한 전류 손실이 발생한다. 이를 최소화하는 것이 퀀텀닷 태양전지 성능 향상의 열쇠다.
세계적으로 새로운 정공수송층 재료를 개발하려는 시도가 이어졌지만 소재 내부에 전류의 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생, 어려움을 겪었다.
KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자를 제거하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 양자역학 이론(밀도범함수론)을 활용, 신물질 2종('α-6T' 'PEDOT:PSS')을 개발했다. 기존 퀀텀닷 태양전지는 정공수송층이 하나였지만 연구진은 이중층으로 설계하고, 두 신물질을 각층 소재로 사용했다. 이를 통해 태양전지 내 전류 손실을 기존의 20% 수준으로 감소시켰다. 전지효율은 기존 대비 47%까지 끌어올렸다.
연구진은 누설 전류를 추가 감소시키려는 실험과 결과가 꾸준히 이어진다면 경쟁 소자인 실리콘 또는 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지를 상용화할 것으로 기대했다.
KIST 김진영 박사는 “이번 성과는 향후 퀀텀닷 태양전지의 에너지 전환 효율을 높이기 위한 방향을 제시했다”면서 “출력 전압과 전류를 극대화시켜 차세대 태양전지를 구현하는 데 기여할 것”이라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행했다. 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 'Advanced Energy Materials' 최신 호에 실렸다
최호기자 snoop@etnews.com
