김동훈 박사팀 - MIT 공동연구
표면 공공결함 다량 존재 확인
표면 공공결함 다량 존재 확인
한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 김동훈 박사(사진)팀은 미국 MIT 제프리 그로스만 교수팀과 공동으로 양자점 태양전지에 사용하는 황화납 양자점 재료 표면에 공공결함이 다량 존재하며, 이로 인해 태양전지 출력전압 값이 크게 제한되는 현상을 확인했다고 19일 밝혔다.
양자점 태양전지는 저렴한 공정비와 높은 안정성을 바탕으로 기존 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 주목받고 있다. 하지만 양자점 태양전지는 출력전압이 유독 낮아 상용화에 어려움을 겪고 있다. 태양전지 내에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 가장 중요한 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트 이상의 전압출력이 가능하나, 실제 출력값은 약 0.5볼트에 그친다.
연구진은 전압손실의 원인을 규명하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 '범밀도함수론' 계산법과 흡광·발광 실험측정기를 동시에 활용해 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 가져올 수 있다는 사실을 찾아냈다.
연구진은 황화납 양자점 재료의 구조적 특성인 공공결함이 매우 큰 '스토크스 시프트'를 발생한다는 것을 밝혀냈다. 스트로크 시프트는 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 매우 크다고 알려져 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 스토크스 시프트를 최소화하는 실험이 이어진다면 경쟁 소자인 실리콘이나 페로브스카이트 재료와 효율 격차를 많이 줄여 상용화 할 수 있을 것으로 기대했다.
김동훈 KIST 박사는 "이번 연구는 앞으로 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것"이라며 "이를 통해 출력전압이 현재 수준의 180%까지 상승할 것으로 예상된다"고 말했다.
이번 연구결과는 나노과학 분야 국제학술지 'ACS 나노'에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@
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