찰나의 빛으로 태양전지 성능을 높였다

DGIST, 황화납 퀀텀닷 태양전지 제작기술 개발
펄스 형태 빛으로 열처리해 내구성·성능 향상
제작 시간 줄이고, 효율 극대화로 상용화 기여

DGIST 에너지공학과 최종민 교수팀이 개발한 펄스 형태의 열처리 방식으로 차세대 퀀텀닷 태양전지를 만들었다. DGIST 제공

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 최종민 교수팀이 장기간 열처리 방법 대신 찰나의 빛을 쪼여 '황화납 퀀텀닷' 태양전지의 성능과 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다. 순간적으로 강한 에너지를 발생시키는 '펄스 형태'의 빛을 이용한 것이다. 이 기술로 만든 태양전지는 개방 전압을 0.63 V에서 0.66 V로 상승시켜 12.7% 효율에서 13.5%까지 효율이 향상됐다.

14일 DGIST에 따르면, 이 기술은 향후 황화납 퀀텀닷 태양전지 생산 및 상용화에 기여할 것으로 보인다. 또한 황화납 퀀텀닷 태양전지 뿐만아니라 퀀텀닷, 페로브스카이트, 유기물 등 광전소자 기반 반도체 물질에서 짧은 시간의 순간적 열처리가 요구되는 다양한 분야에 활용할 수 있다.

최근 차세대 태양전지 중 황화납 퀀텀닷에 대한 연구가 활발하게 연구되고 있다. 나노사이즈 반도체 물질로 자외선, 가시광선, 근적외선, 단파적외선 등 태양 빛의 파장대 중 다양한 부분을 흡수할 수 있고, 용액공정으로 인한 저렴한 공정비용, 우수한 광전기적 특성 등을 가지고 있다.

황화납 퀀텀닷 태양전지는 여러 공정 단계를 거치는데, 최근까지 퀀텀닷 층을 기판 위에 코팅 후 열처리 해 전기전도성을 향상시키는 공정이 필수 단계로 자리매김하고 있다. 하지만 황화납 퀀텀닷이 빛, 열, 수분 등에 노출되면, 퀀텀닷 표면에 결함 형성이 가속화돼 소자 성능을 저하시키는 문제가 발생할 수 있어 상용화를 통해 활용하는 데 어려움이 있다.

연구진은 황화납 퀀텀닷 표면에 발생할 수 있는 결함 형성을 방지하기 위해 수 밀리초(1000분의 1초) 정도의 짧은 시간 동안 빛을 노출해 열처리하는 방식을 적용했다. 반면 기존의 황화납 퀀텀닷 층 열처리 방식은 열판, 오븐 등을 이용해 고온에서 수십 분 동안 진행한다. 이로 인해 표면 결함 형성이 가속화될 수 있는 시간이 길다.

새로운 '펄스 형태 열처리 기법'은 수 밀리초의 단시간 내에 강한 빛을 통해 열처리 돼 표면 결함 발생을 최소화 할 수 있다.

또한, 전류를 발생시키는 전하(전자, 정공)의 이동 수명을 연장하는 등 기존 방식의 단점은 극복하면서 고효율을 달성하는 기술이다.

최종민 교수는 "이를 통해 기존 양자점 열처리 공정의 한계점을 극복할 수 있는 신규 열처리 공정을 개발해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있었다"며, "파급효과가 우수한 양자점 공정을 개발로 향후 양자점이 활용되는 다양한 광전소자에 확대 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 최종민 교수는 이번에 개발한 황화납 퀀텀닷 태양전지 제작 기술을 경북대 에너지화학공학과 임창용 교수팀, 충남대 에너지공학과 임종철 교수팀과 공동연구를 통해 국제 학술지 '스몰(Small)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자