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신물질 개발로 퀀텀닷 태양전지 전류 손실 막아…차세대 태양전지 상용화 기대

2019-11-29박응서 기자

KIST-KAIST 공동연구진이 개발한 이중 층 구조의 신 물질 모식도로 구성된 첨단에너지물질 표지 이미지. 사진제공 KIST

국내 연구진이 차세대 태양전지로 기대되고 있는 퀀텀닷 태양전지의 전류 손실을 막아 성능을 향상시키는 신기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀과 계산과학연구센터 김동훈 박사팀이 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 정연식 교수팀과의 공동연구로 퀀텀닷 태양전지의 고질적 문제였던 전류 손실을 막아 전지효율을 기존 대비 47% 상승시켜, 퀀텀닷 태양전지의 상용화 가능성을 높였다고 28일 밝혔다.

퀀텀닷(Quantum Dot) 태양전지는 생산비용이 저렴하고, 안정성이 뛰어나 현재 널리 쓰이는 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 하지만 퀀텀닷 태양전지는 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이런 상황에서 최근 KIST 연구진이 퀀텀닷 태양전지의 에너지 효율을 상승시키는 기술을 개발해 관련 학계와 산업계로부터 주목받고 있다.

퀀텀닷 태양전지를 구성하는 정공수송층은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 한다. 그런데 빛을 흡수해 전기 에너지를 만드는 과정에서 상당한 전류 손실이 발생해 이를 최소화하는 것이 퀀텀닷 태양전지 성능 향상에서 핵심 기술이다.

이를 해결하려고 전 세계에서 수많은 연구진이 새로운 정공수송층 재료를 개발에 나섰다. 하지만 소재 내부에서 전류 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생하는 문제를 해결하지 못해 난관에 처해 있다.

KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자를 제거하려고 원자 단위로 조절하는 양자역학 이론을 활용해 이중층 구조로 신물질을 개발했다. 이를 통해 태양전지 내 전류 손실을 줄여, 전지효율을 기존 대비 47% 향상시켰다.

연구진은 누설전류를 더 감소시키는 실험과 결과를 이어가면 실리콘과 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지로 상용화를 기대하고 있다.

KIST 김진영 박사는 “퀀텀닷 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위한 다양한 실험에 올바른 방향을 제시할 것”이라며, “출력전압과 전류를 극대화해 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것”이라고 포부를 밝혔다.

이 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘첨단에너지물질(Advanced Energy Materials)’ 최신호에 표지논문으로 게재될 예정이다.

 

박응서 테크엠 기자  gopoong@techm.kr