화학 기록적인 성능을 가진 양자점 태양전지

2013.09.20 20:19

기록적인 성능을 가진 양자점 태양전지 http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?cn=GTB2013090266&service_code=03
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-09-17

미 해군 연구소(Naval Research Laboratory)의 연구진은 가장 높은 열린 회로전압(open-circuit voltage)을 가진 양자점 태양전지를 개발하는데 성공했다. 콜로이드 황화납(lead sulfide, PbS) 나노결정 양자점 물질을 사용해서, 이번 연구진은 한 번의 태양광 조명 하에서 양자점 태양전지가 1.4eV의 양자점 밴드갭을 사용해서 692mV의 열린 회로전압을 달성할 수 있다는 것을 증명했다.

황화납 양자점 태양전지는 나노미터(10억분의 1m) 크기의 반도체 결정체인 양자점을 표면에 붙여서 만든 태양전지이고, 유기염료 태양전지보다 공정이 간단하고 제작비용이 저렴하지만, 열린 회로전압이 낮는 문제점이 존재했다.

양자점(quantum dot)이라고 부를 수 있는 나노크기의 구조물에서는 고전 물리에서 관찰되지 않았던 양자 구속 효과(quantum confinement effect)가 나타날 수 있다. 양자점은 동일한 물질로 이루어졌다고 하더라도 점의 크기에 따라 무지개 색깔처럼 광흡수 파장이 달라진다. 입자의 크기가 작아질수록 파란색 계통의 짧은 파장 빛을 방출한다. 따라서 양자점의 크기를 조절하여서 원하는 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 양자점은 광소자, 광전변환소자, 바이오이미징 등 여러 분야에 유용하게 적용되고 있으며, 현재 끊임없는 기술개발과 연구가 진행되고 있다.

이번 연구진은 양자점 태양전지의 더 작은 양자점을 이용함으로써 1볼트보다 더 큰 열린-회로 전압을 가질 수 있다는 것을 분명히 증명했다. 다중 엑시톤(multiple exciton)을 생성시킬 수 있는 이 용액 공정(solution processability)은 나노결정 양자점이 저렴하고 고효율을 가진 3세대 광발전 장치를 위한 유망한 후보자가 될 수 있게 한다.

높은 광전류 생성을 위한 이런 놀라운 가능성에도 불구하고, 양자점 태양전지의 비-방사성 재결합 프로세스 때문에 달성 가능한 열린 회로전압이 제한적이었다. 이런 문제점을 극복하기 위해서, 이번 연구진은 콜로이드성 양자점 기반의 태양전지에서 보고된 것보다 더 높은 열린 회로전압을 달성할 수 있는 금속-양자점 쇼트키 접합(Schottky junction)의 분자 부동태화를 향상시켰다.

이번 연구진은 최적의 플루오르화 리튬(LiF) 두께를 가진 LiF를 사용해서 양자점 및 금속-양자점 계면의 어닐링으로 PbS 양자점 표면의 부동태화를 향상시킴으로써 이것을 증명했다. 이것은 접합 부근의 금속-양자점 계면과 PbS 양자점 표면을 부동태화시킴으로써 암전류 밀도(dark current density)에 중요한 영향을 끼친다는 것을 증명했다. 따라서 태양전지 속의 비-방사 재결합(non-radiative recombination) 프로세스를 최적화시킬 수 있었다.

지난 10년 동안에, 미 국방부의 분석과 최근 FY12 Strategic Sustainability Performance Plan의 연구를 통해서 군대의 화석 연료 의존성이 높은 전략적 위험성을 가진다는 것을 알게 되었다. 그래서 이번 연구진은 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 기술로서 하이브리드 연료, 연료 전지, 광발전, 탄소-중립(carbon-neutral) 생물학적 미생물 등에 대한 연구를 수행하고 있다.

그림. 금속-황화납(lead sulfide) 양자점 쇼트키 접합 태양전지(유리/ITO/PbS QDs/LiF/Al)의 구조도.

[출처] http://www.nanowerk.com/news2/newsid=32260.php

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