DGIST, 양자점 태양전지 상용화 기술 개발

최종민 에너지공학 교수·에드워드 서전트 토론토대 연구팀 공동 수행
소자 효율저하 원인 밝혀···실제 구동 환경서 안정적 작동 가능성 규명
최종민 DGIST 에너지공학전공 교수. <사진=DGIST 제공>최종민 DGIST 에너지공학전공 교수. <사진=DGIST 제공>

국내 연구진이 차세대 양자점(Quantum Dot) 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발했다.

DGIST(총장 국양)는 최종민 에너지공학 교수와 에드워드 서전트(Edward H. Sargent) 토론토대 교수 연구팀이 양자점 태양전지의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 안정화할 수 있는 기술을 개발, 안정적인 양자점 태양전지를 구현했다고 30일 밝혔다. 

양자점은 LED, 태양전지, 디스플레이 등의 분야에 활용되는 나노미터 크기의 반도체 입자다. 이는 빛 흡수 능력이 우수하고 그 범위가 넓어 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 가볍고 유연하며 공정비가 저렴하기에 현재 상용 중인 실리콘 태양전지를 대체할 수 있다.

연구팀은 양자점 태양전지 상용화에 필수적인 안정성 향상을 위해 실제 구동 조건과 같이 빛과 산소 등에 장시간 노출, 성능 저하 원인을 분석했다. 그 결과 양자점 표면의 요오드 이온이 산화로 제거되면서 산화층이 형성돼 양자점 구조의 변형을 가져왔고 이로 인해 소자 효율이 저하됨을 규명했다.

연구팀은 이를 개선하고자 칼륨을 포함한 리간드 치환 방법을 개발했다. 리간드란 착화합물의 중심원자에 가지처럼 결합해 있는 이온·분자다. 여기에 요오드 산화를 방지할 수 있는 칼륨이온을 도입해 치환 과정을 거친 후 소자에 적용한 결과, 300시간 동안 80% 이상의 초기 효율을 유지하는 소자를 구현할 수 있었다.

기존 양자점 태양전지의 성능 향상을 위해 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 효율 연구가 진행됐지만 안정성 향상에 관한 연구는 미비했다. 태양전지의 실제 구동환경인 최대 전력점에서 양자점 태양전지를 구동한 사례는 거의 없었다.

최종민 DGIST 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 말했다.

이번 연구 결과는 세계적 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼스 (Advanced Materials, IF=25.809)'에 지난달 20일 게재됐다. 

양자점 표면에 칼륨 이온을 도입한 후 태양전지 실제 구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진. <사진=DGIST 제공>양자점 표면에 칼륨 이온을 도입한 후 태양전지 실제 구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진. <사진=DGIST 제공>
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