DGIST, 양자점 태양전지 상용화 앞당길 핵심 기술 개발

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차세대 태양전지로 각광받는 양자점(Quantum Dot) 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술이 개발됐다. 기존 실리콘 태양전지를 대체할 기술로 주목받고 있다.

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 최종민 에너지공학전공 교수와 에드워드 사전트 토론토대 교수 연구팀이 양자점 태양전지 성능 저하 원인을 규명하고 이를 안정화 시킬 수 있는 소재 가공법을 개발했다고 30일 밝혔다. 연구팀은 실제 구동환경에서도 안정적인 양자점 태양전지를 구현하는데 성공했다.

양자점 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발한 최종민 DGIST 에너지공학전공 교수.
<양자점 태양전지 상용화를 앞당길 수 있는 기술을 개발한 최종민 DGIST 에너지공학전공 교수.>

양자점은 빛 흡수 능력이 우수하고 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있어 차세대 태양전지 핵심 소재로 각광받고 있다. 가볍고 유연하며 공정비가 저렴해 현재 널리 쓰이는 실리콘 태양전지 단점을 보완해 대체할 수 있다.

세계 많은 연구자가 양자점 태양전지 성능 향상을 위한 광전변환 효율연구를 하고 있지만, 상용화에 필수인 안정성 향상에 관한 연구는 미비했다. 태양전지 실제 구동환경인 최대 전력점에서 양자점 태양전지를 구동한 사례는 거의 없었다.

양자점 표면에 칼륨이온을 도입한 후 태양전지 실제구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진
<양자점 표면에 칼륨이온을 도입한 후 태양전지 실제구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진>

연구팀은 양자점 태양전지 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 구조 변형을 가져와 소자 효율이 떨어진다는 것을 확인했다.

연구팀은 이러한 낮은 소자 효율을 개선하기 위해 칼륨을 포함한 리간드 치환 방법을 개발했다. 리간드는 착화합물 중심원자에 가지처럼 결합해 있는 이온 또는 분자를 말한다. 여기에 요오드 산화를 방지할 수 있는 칼륨이온을 양자점 표면에 도입해 치환 과정을 거쳤다. 이를 소자에 적용한 결과 기존보다 더욱 높은 수준인 300시간 동안 80% 이상 초기 효율을 유지하는 소자를 구현할 수 있었다.

최종민 교수는 “양자점 태양전지가 실제 구동 환경에서도 보다 안정적으로 작동할 수 있다는 것을 규명한 것”이라며 “이번 연구 결과가 양자점 태양전지 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 최근 국제학술지 '어드밴스드 머터리얼스'에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com