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차세대 태양전지를 위한 양자점

전문가 제언: ○ 전세계가 신재생에너지기술개발에 분주하고, 태양전지는 설치공사기간이 짧고, 주민반대가 없으며, 쾌적한 운전환경으로 환영을 받고 있다. 실리콘 단일접합 태양전지는 그러나 파워변환효율(PCE)에서 Shockley -Queisser의 이론적 한계 33%에 막혀 있다. 태양전지에선 광자가 흡수되자마자 최대 손실이 발생한다. 반도체 띠 간격보다 큰 에너지를 가진 광자가 흡수되어 열로 변하는 것이다. 이의 극복을 위한 노력이 한창이다.

○ 경제적이고 제어가 쉬운 용액합성에 의한 콜로이드 양자구속 반도체 나노구조가 최근 인기를 끌고 있다. 한 길이가 양자구속 효과 발생에 충분할만큼 작은 반도체 나노구조는 에너지 흐름제어에 새로운 지평을 연다. 이 글에서 미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 저자들은 3차원으로 양자가 구속된 나노결정인 콜로이드 양자점(QD)의 특수한 성질을 견본 태양전지 제조에 활용해온 연구개발을 소개하고 있다.

○ 이 글은 여러 3세대태양전지 및 콜로이드 합성 양자점(QD)을 소개하고 QD용 나노결정인 PbSe에서 유기배위자의 역할을 강조하였다. QD를 태양전지에 응용하는 제안 ①광흡수 증감제 ②고분자와 사용 ③전자결합 QD 어레이 제조도 소개하였다. 최근 효율 7%의 동종접합 QD 태양전지를 성공시킨 배위자 교체, n형 p형 교체, 다중배위자에 의한 표면부동태기술도 설명되었다. 이들은 QD 이용 MEG태양전지에서 외부양자효율 106%~114% 달성에 의한 MEG(다중여기자생성)를 실증하고, 저가 낮은 띠 간격의 PbSe 등 납계 칼코겐화합물의 미래를 MEG로 보고 있다.

○ MEG는 실증되었으나 효율향상은 거의 없어 기본적 QD박막과 셀 구조 개선에 의한 효율향상이 과제이다. Cd나 Pb의 독성은 콜로이드 실리콘이나 그래핀 양자점의 연구를 촉진하고 있다. 국내에서도 한국에너지기술연구원 이정철의 “초 고효율 양자점 태양전지 원천기술 개발” 및 “실리콘계 나노 양자점 박막을 이용한 고효율 탠덤구조형 전스펙트럼태양전지 개발”, 한국표준과학연구원 김경중의 “수직접합 실리콘 양자점 태양전지 원천기술개발” 등이 유명하다. 나노결정인 콜로이드 양자점 이용 태양전지 연구의 거국적 지원은 강조가 필요 없을 것이다.

저자: Matthew C. Beard et al
자료유형: 학술정보