양자점은 빛 흡수 능력이 우수하고 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있어 차세대 태양전지의 핵심 소재로 각광받고 있다. 특히 가볍고 유연하며 공정비가 저렴하기 때문에 현재 상용중인 실리콘 태양전지의 단점을 보완하여 대체할 수 있다.
이 때문에 많은 연구자들이 양자점 태양전지의 성능 향상을 위한 광전변환 효율 연구를 하고 있지만, 상용화에 필수적인 안정성 향상에 관한 연구는 미비한 편이다. 특히 태양전지의 실제 구동환경인 최대 전력점에서 양자점 태양전지를 구동한 사례는 거의 없는 실정이다.
이에 연구팀은 양자점 태양전지의 실제 상용화에 필수적인 안정성 향상을 위해 실제 구동 조건과 같이 빛과 산소 등에 장시간 노출시키며 성능 저하 원인을 분석했다. 그 결과, 양자점 표면의 요오드 이온이 산화로 제거되면서 산화층이 형성돼 양자점 구조의 변형을 가져왔고, 이로 인해 소자 효율이 저하되기 때문임을 규명했다.
연구팀은 이러한 낮은 소자 효율을 개선하고자 칼륨을 포함한 리간드 치환 방법을 개발했다. 리간드란 착화합물의 중심원자에 가지처럼 결합해 있는 이온 또는 분자를 말한다. 여기에 요오드의 산화를 방지할 수 있는 칼륨이온을 양자점 표면에 도입해 치환 과정을 거쳤다. 이를 소자에 적용한 결과, 기존보다 더욱 높은 수준인 300시간 동안 80% 이상의 초기 효율을 유지하는 소자를 구현할 수 있었다.
DGIST 최종민 교수는 “이번 연구는 양자점 태양전지가 실제 구동 환경에서도 보다 안정적으로 작동할 수 있다는 것을 규명한 것”이라며, “본 연구 결과가 양자점 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적인 국제학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스에 2월 20일자 게재됐다. 본 연구는 DGIST 에너지공학전공 최종민 교수가 제 1저자로 참여했다.
대구 한찬규 기자 cghan@seoul.co.kr
