한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀과 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 KAIST 신소재공학과 정연식 교수팀과의 공동연구를 통해 퀀텀닷 태양전지의 고질적 문제였던 전류 손실을 막아 전지효율을 기존 대비 47% 상승시켜, 퀀텀닷 태양전지의 상용화 가능성을 높였다고 밝혔다.

퀀텀닷(Quantum Dot)은 머리카락 만분의 일 크기의 반도체 입자를 일컬으며, 양자구속효과 때문에 기존 물질과는 전혀 다른 광학적, 전기적 특성을 보인다. 이를 활용하는 태양전지는 생산비용이 저렴하고, 안정성이 뛰어나지만 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 어려움이 있었다.

퀀텀닷 태양전지의 정공(Electron hole)을 전달하는 역할을 하는 층인 ‘정공수송층’은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 핵심적인 역할을 한다. 빛을 흡수해 전기 에너지를 생성하는 과정에서 이 층에서 상당한 전류 손실이 발생하는데 이를 최소화하는 것이 퀀텀닷 태양전지 성능 향상의 핵심 키였다.

이를 해결하기 위해 전 세계 많은 연구진이 새로운 정공수송층 재료를 개발 시도했지만, 소재 내부에 전류의 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생해 번번이 실패로 이어지는 실정이었다. 쌍극자는 크기가 같은 양의 전하와 음의 전하가 일정 거리 만큼 떨어져 있는 전하 배열이다.

KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자를 제거하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 양자역학 이론(밀도범함수론)을 활용하여 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)을 개발했다. 이를 통해, 태양전지 내 전류 손실을 기존의 20% 수준으로 감소시켜, 전지효율을 기존대비 47% 향상시켰다.

연구진은 신개념의 소재가 향후 관련 학계나 산업계에서 널리 사용되는 소재로 자리 잡길 기대하고 있다. 또한, 본 연구를 바탕으로 누설전류를 더욱 감소시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 또는 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있다.

KIST 김진영 박사는 “이번 성과는 향후 퀀텀닷 태양전지의 에너지 전환효율을 높이기 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다”며 “이를 바탕으로 출력전압과 전류를 극대화시켜, 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것”이라고 포부를 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행, 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.884, JCR 분야 상위 0.392%) 최신 호에 표지논문으로 게재될 예정이다.

* (논문명) Suppressing Interfacial Dipoles to Minimize Open-Circuit Voltage Loss in Quantum Dot Photovoltaics

– (제 1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 선임연구원

– (제 1저자) 한국과학기술원 임훈희 연구원

– (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원

– (교신저자) 한국과학기술원 정연식 부교수