‘양자점’ 태양전지 상용화 구현 앞당기다
최종문 DGIST 교수·캐나다 연구팀 공동 연구 성능 저하 원인 규명·안정화 소재 가공법 개발
2020-03-30 김무진기자
차세대 태양전지로 각광받는 ‘양자점’(Quantum Dot) 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있는 기술이 개발됐다.
30일 디지스트(DGIST)에 따르면 최근 에너지공학 전공 최종민<사진> 교수 및 캐나다 토론토대학교 에드워드 사전트(Edward H. Sargent) 교수 연구팀이 양자점 태양전지의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 안정화시킬 수 있는 소재 가공법을 개발, 실제 구동 환경에서도 안정적인 양자점 태양전지를 구현했다.
양자점은 빛 흡수 능력이 뛰어나고 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있어 차세대 태양전지의 핵심 소재로 각광 받고 있다.
또 가볍고 유연하며 공정비가 저렴해 현재 상용중인 실리콘 태양전지의 단점을 보완, 대체할 수 있는 것으로 알려졌다.
이 때문에 많은 연구자들이 양자점 태양전지의 성능 향상을 위한 광전변환 효율 연구를 하고 있지만 상용화에 필수적인 안정성 향상에 관한 연구는 미비한 편이다.
특히 태양전지의 실제 구동 환경인 최대 전력점에서 양자점 태양전지를 구동한 사례는 거의 없는 실정이다.
이에 연구팀은 양자점 태양전지의 실제 상용화에 필수적인 안정성 향상을 위해 실제 구동 조건과 같이 빛과 산소 등에 장시간 노출시켜 성능 저하 원인을 분석했다.
그 결과 양자점 표면의 요오드 이온이 산화로 제거되면서 산화층이 형성돼 양자점 구조의 변형을 가져왔고, 이로 인해 소자 효율이 저하되기 때문임을 규명했다.
연구팀은 이 같은 낮은 소자 효율을 개선코자 칼륨을 포함한 리간드 치환 방법을 개발했다. 리간드는 착화합물의 중심원자에 가지처럼 결합해 있는 이온 또는 분자를 뜻한다. 여기에 요오드의 산화를 방지할 수 있는 칼륨이온을 양자점 표면에 도입해 치환 과정을 거쳤다. 이를 소자에 적용한 결과 기존보다 더욱 높은 수준인 300시간 동안 80% 이상의 초기 효율을 유지하는 소자를 구현해 냈다.
최종민 DGIST 교수는 “이번 연구는 양자점 태양전지가 실제 구동 환경에서도 보다 안정적으로 작동할 수 있다는 것을 규명한 것”이라며 “연구 결과가 양자점 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials, IF=25.809)’에 지난 2월 20일자 게재됐다. 또 최종민 디지스트 교수가 제1저자로 참여했다.