연구소소개
퀀텀닷 태양전지, 전류 손실 막아 성능 47% 상승 차세대 태양전지 상용화 기대
- 등록일 : 19-11-28
- 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀
- 조회수 : 9503
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- 이중 층 구조의 신 물질 개발하여 고질적 전류 손실 문제 해결
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 수소·연료전지연구단 김진영 박사팀과 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 신성철) 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) 태양전지는 생산비용이 저렴하고, 안정성이 뛰어나 기존에 상용화되어 있는 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 하지만 퀀텀닷 태양전지는 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었다. 최근 KIST 연구진이 퀀텀닷 태양전지의 에너지 효율을 상승시키는 기술을 개발하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.
퀀텀닷 태양전지의 구성요소인 ‘정공수송층’은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 핵심적인 역할을 한다. 빛을 흡수하여 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 발생되어 번번이 실패로 이어지는 실정이었다.
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 개발하였다. 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.”라고 말하며, “이를 바탕으로 출력전압과 전류를 극대화시켜, 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것”이라고 포부를 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST의 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행되었으며, 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.884, JCR 분야 상위 0.392%) 최신 호에 게재되었으며, 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
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 선임연구원
- (제 1저자) 한국과학기술원 임훈희 연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 김진영 책임연구원
- (교신저자) 한국과학기술원 정연식 부교수
<그림설명>
[그림 1]
Advanced Energy Materials 커버 이미지
KIST-KAIST 공동연구진이 개발한 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)의 모식도
Advanced Energy Materials 커버 이미지
KIST-KAIST 공동연구진이 개발한 이중 층 구조의 신(新) 물질(α-6T/PEDOT:PSS)의 모식도
[그림 2]
(a) 퀀텀 닷 태양전지의 밴드 구조
(a-1) 물질들의 독립적인 밴드구조
(a-2) 단일 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드구조
(a-3) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드 구조
(b) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상
(b-1) 이종 물질 접합 시 전하의 이동을 시각화
(b-2) 이론 시뮬레이션을 통해 계산한 이종 물질 사이의 계면 쌍극자로 인한 밴드 구조의 뒤틀림
(c) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상
(c-1) 기존 계면 물질과 본 연구에서 개발한 단일층 및 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 J-V 양상 (c-2) 이중층 계면물질 구조를 다른 물질에 확장, 단일층일 때와 이중층일 때를 비교한 J-V 양상
(a) 퀀텀 닷 태양전지의 밴드 구조
(a-1) 물질들의 독립적인 밴드구조
(a-2) 단일 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드구조
(a-3) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 물질 접합 시 밴드 구조
(b) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상
(b-1) 이종 물질 접합 시 전하의 이동을 시각화
(b-2) 이론 시뮬레이션을 통해 계산한 이종 물질 사이의 계면 쌍극자로 인한 밴드 구조의 뒤틀림
(c) 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 효율 양상
(c-1) 기존 계면 물질과 본 연구에서 개발한 단일층 및 이중층 계면물질을 적용한 퀀텀닷 태양전지의 J-V 양상 (c-2) 이중층 계면물질 구조를 다른 물질에 확장, 단일층일 때와 이중층일 때를 비교한 J-V 양상