퀀텀닷 태양전지는 생산비용이 저렴하고 안정성이 높아 기존에 상용화된 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있으나 에너지 전환 효율이 충분하지 못해 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었다.

퀀텀닷 태양전지의 구성요소인 정공수송층은 태양전지 내부에 전류가 흐를 수 있게 하는 역할을 한다. 빛을 흡수해 전기에너지를 생성하는 과정에서 전류 손실이 발생하는데 이를 최소화하는 것이 핵심이다.

그간 많은 연구진이 새로운 정공수송층 재료를 개발 시도했으나 소재 내부에서 전류 흐름을 방해하는 쌍극자(dipole)가 발생되는 경우가 많아 어려움을 겪었다.

KIST-KAIST 공동연구진은 쌍극자 제거를 위해 원자 단위의 조절이 가능한 양자역학 이론(밀도범함수론)을 활용해 이중 층 구조의 신물질(α-6T/PEDOT:PSS)을 개발했다. 연구진은 이를 통해 태양전지 내 전류 손실을 기존의 20% 수준으로 감소시키면서 전지효율을 기존대비 47% 향상시켰다고 밝혔다.

연구진은 신개념의 소재가 향후 관련 학계나 산업계에서 널리 사용되는 소재로 자리 잡길 기대하고 있다. 해당 연구를 바탕으로 누설전류를 감소시키려는 실험과 결과가 이어지면 경쟁 소자인 실리콘이나 페로브스카이트 태양전지를 능가하는 차세대 태양전지의 상용화도 가능할 것으로 보고 있다.

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

해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST의 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래소재디스커버리사업으로 수행됐다. 연구결과는 소재 분야 최고 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF: 24.884, JCR 분야 상위 0.392%) 최신호에 게재됐다.