양자점 태양전지는 저렴한 공정비와 훌륭한 안정성으로 기존 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 제프리 그로스만 교수팀과의 공동연구 결과를 통해 19일 이 같이 발표했다.
양자점은 수 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기의 반도체 결정체다. 크기에 따라 광학특성 조절이 가능한 성질이 있어 디스플레이와 태양광 에너지 변환 등 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 태양전지의 경우 양자점 소재는 공정비가 저렴하고 안정성이 좋아 기존 실리콘 태양전지의 단점을 보완할 것으로 기대되고 있다. 하지만 양자점 태양전지는 출력전압이 유독 낮아 그동안 상용화에 어려움을 겪었다.
태양전지에서 출력전압 크기는 에너지 전환 효율을 결정하는 가장 중요한 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트 이상의 전압출력이 가능하지만 실제 출력값은 약 0.5볼트에 그쳤다. 이같은 전압손실의 원인이 지금까지 불분명했다.
KIST-MIT 공동 연구진은 이를 규명하기 위해 원자 단위 조절이 가능한 '범밀도함수론 계산법'과 흡광·발광 실험측정기를 동시에 활용했다. 범밀도함수론이란 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중 하나다.
연구진의 실험 결과 황화납 양자점 소재 표면에 납 혹은 염소 원소의 '공공결함(vacancy defect, 빈 격자점으로 원자의 분실에 의해 생긴다)'으로 출력전압이 제한된다는 사실을 밝혀냈다.
공공결함이 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 최대 파장 값이 다르게 나타나는 '스토크스 시프트(Stokes shift)' 현상을 유발해 출력전압이 낮아진다는 것이다.
김동훈 KIST 박사는 "스토크스 시프트를 최소화한다면 경쟁 소자인 실리콘 또는 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 줄여 양자점 태양전지가 차세대 태양전지로 상용화될 수 있을 것"이라고 밝혔다.