국내 연구진이 양자점 태양전지에서 출력전압의 손실이 생기는 원인을 규명했다. 차세대 태양전지의 전압 출력을 높일 수 있는 가능성을 제시해 관련 학계와 산업계가 주목하고 있다. 

한국과학기술연구원(이하 KIST) 계산과학연구센터 김동훈 박사와 미국 매사추세츠공과대학교(MIT) 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 교수 공동연구팀은 양자점 태양전지의 재료 특성으로 인해 출력전압 값이 제한되는 현상을 밝혀냈다. 양자점 태양전지란 빛을 잘 흡수하는 나노반도체 입자인 ‘양자점’을 이용, 넓은 파장대역의 빛을 흡수해 효율을 높인 태양전지다. 

양자점 재료 기반 태양전지는 저렴한 공정비로 면적이 크고 유연한 소자를 제작할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 공동연구팀은 황화납(PbS) 양자점 재료의 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함 (결정성 물질 내부에서 원자가 분실돼 없는 빈 공간)이 다량 존재할 수 있음을 확인하고, 이로 인해 태양전지의 출력전압 값이 크게 제한된다는 사실을 알아냈다. 

태양전지에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반 태양전지는 약 0.9볼트(Volt) 이상의 전압출력이 가능하지만, 실제 출력값은 0.5볼트에 그친다. 이런 현상의 원인이나 개선책에 대해선 알려진 바 없었다. 

KIST-MIT 공동연구팀은 양자역학 이론 중 하나인 ‘범밀도함수론’ 계산법과 흡광 및 발광 실험측정기를 활용했다. 그 결과 양자점 물질에 존재하는 특정 공공결함이 큰 전압손실을 일으킨다는 사실을 확인했다.

연구팀은 양자점 전압 손실 원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성을 꼽았다. 황화납 양자점 재료의 경우 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값의 차이가 매우 컸다. 즉 재료의 구조적 특성이 전압 손실을 일으키는 것이다.

연구팀은 본 연구를 바탕으로 전압 손실을 최소화시키는 실험 결과가 이어진다면 실리콘 재료를 잇는 차세대 태양전지의 상용화가 이루어질 것으로 기대하고 있다. 

KIST 김동훈 박사는 “본 연구는 향후 양자점 태양전지의 전압 상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다”며 “이를 통해 출력전압이 현재 수준의 최대 180%까지 상승될 것으로 예상하며, 양자점 태양전지는 상용화에 한 걸음 더 가까워질 것”이라고 말했다.

위 연구는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano' 3월 13일자 온라인에 게재됐다.