JavaScript 를 사용할 수 없습니다.
일부 콘텐츠가 정상적으로 작동하지 않을 가능성이 있습니다.

Research

제목 [최종민 교수님, CEME 연구실] *언론보도* 양자점 효율 높인 태양전지 상용화 기술 개발
작성자 에너지공학전공 작성일 2020/03/31 조회수 859

- 실제 구동환경에서 효율저하 원인 밝혀, 안정적인 성능의 소재 가공법 제시
- 향후 차세대 양자점 태양전지 상용화에 크게 기여할 것으로 기대

 

DGIST 에너지공학전공 최종민 교수
DGIST 에너지공학전공 최종민 교수 ⓒDGIST

 

 차세대 태양전지로 각광받는 양자점(Quantum Dot) 태양전지의 상용화를 더욱 앞당길 수 있는 기술이 개발됐다. 

 DGIST는 에너지공학전공 최종민 교수와 토론토대학교 Edward H. Sargent 교수 연구팀이 양자점 태양전지의 성능 저하 원인을 규명하고 이를 안정화 시킬 수 있는 소재 가공법을 개발해, 실제 구동환경에서도 안정적인 양자점 태양전지를 구현했다고 30일(월) 밝혔다.

 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 효율1) 연구를 하고 있지만, 상용화에 필수적인 안정성 향상에 관한 연구는 미비한 편이다. 특히 태양전지의 실제 구동환경인 최대 전력점(Maximum Power Point)2)에서 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 머터리얼스 (Advanced Materials, IF=25.809)’에 2월 20일자 게재됐다. 아울러 본 연구는 DGIST 에너지공학전공 최종민 교수가 제 1저자로 참여했다.

----
1) 광전변환(光電變換) 효율 : 빛에너지를 전기에너지로 변환되는 효율의 정도
2) 최대 전력점(Maximum Power Point) : 태양전지는 태양의 일사량과 주변 온도에 의해 태양전지의 출력 가능한 최대 전력이 시시각각으로 바뀌는데, 효율적인 태양전지 작동을 위해 태양전지의 출력이 항상 최대 전력점에서 이루어져야 한다.

 

 

     연구결과개요 

Stabilizing Surface Passivation Enables Stable Operation of Colloidal Quantum Dot Photovoltaic Devices at Maximum Power Point in an Air Ambient

      Jongmin Choi, Min-Jae Choi, Junghwan Kim, Filip Dinic, Petar Todorovic, Bin Sun, Mingyang Wei, Se-Woong Baek, Sjoerd Hoogland, F. Pelayo García de Arquer, Oleksandr Voznyy, and Edward H. Sargent 

양자점은 흡발광 파장 영역의 조절이 용이하고 용액공정이 가능하여 차세대 태양전지 핵심 물질로 각광받고 있다. 하지만 양자점 태양전지의 안정성에 관련된 연구는 미비한 편이고, 특히 실제 구동환경에서 작동하는 양자점 태양전지를 구동한 사례는 전무하다. 본 연구에서는 실제 구동 조건에서 양자점 표면의 요오드 이온 (I-)이 제거되고 양자점 표면이 산화되어 효율이 저하 된다는 원인을 규명하였고, 이를 방지하기 위해 칼륨 (K)을 포함한 리간드 치환 방법을 개발하여 양자점 표면 산화를 억제 하는 방법을 개발하였다. 본 연구를 통해 태양전지 실제 구동 환경에서 300 시간동안 80% 이상의 초기 효율을 유지하는 소자를 구현하였다. 
DOI : 10.1002/adma.201906497


     연구결과문답 


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
지금까지 양자점 태양전지의 안정성과 관련된 연구는 Dark 상태 혹은, inert 환경에서 몇몇의 연구결과가 보고되었지만, 태양전지의 실제 구동환경인 최대 전력점 (Maximum power point)에서 안정적인 양자점 태양전지의 연구는 전무하다. 본 연구에서는 실제 구동환경에서 양자점 태양전지의 효율 저하 원인 및 이를 극복 할 수 있는 방법을 제시하였다. 

Q. 어디에 쓸 수 있나?
양자점 태양전지 뿐만 아니라 양자점을 기반으로 하는 다양한 광전소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 실용화까지 필요한 시간은?
본 연구 성과는 양자점의 효율 저하의 근본 원인을 규명한 것으로, 이에 근거하여 추가적인 후속 연구를 통해 실용화에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
그동안 양자점 태양전지의 성능 향상 연구에 비해 안정성에 관한 연구 결과는 상대적으로 미비한 편이었다. 하지만 양자점 태양전지의 상용화를 위해서는 실제 구동 조건에서 잘 작동하는 소자를 구현하는 것이 필수적이 었고 이에 대해 연구하고자 했다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
양자점의 효율 저하 원인을 근본적으로 밝히고 이를 극복할 수 있는 방안을 제시하였기 때문에, 양자점 태양전지의 상용화 및 양자점 기반 광전소자의 성능 및 안정성 향상에 기여할 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
실제구동 조건에서 안정된 양자점 태양전지를 구현하기 위한 연구는 이제 막 시작 된 단계로 소재 개발 및 개질을 통해 상용화 수준의 안정적인 양자점 태양전지를 구현하고자 한다.

[그림] 양자점 표면에 칼륨 이온을 도입한 후 태양전지 실제 구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진

양자점 표면에 칼륨 이온을 도입한 후 태양전지 실제 구동 조건에서 안정적인 초기 효율을 나타내는 그래프 사진
 
(그림설명) 칼륨이온을 양자점 표면에 도입하여 양자점 표면의 요오드 이온을 안정화 시켜 산화를 방지하고, 이를 통해 실제 구동 조건에서 양자점 태양전지의 안정한 태양전지를 구현함 (기존 50시간 초기효율 75% → 본 연구 300시간 초기효율 83%)
DGIST Scholar Researcher Page Banner(Kor)_2
 
 
 
첨부파일첨부파일없음

다음글 : 다음 게시물이 없습니다
이전글 : [최종민 교수님, CEME 연구실] Advanced Materials (I.. 에너지공학전공 2020/03/10