▲ 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(左)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (右)(Foster Resonance Energy Transfer (FRET)(上), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(中), 2광자 흡수(下)).

국내 연구진이 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발했다.

KAIST(총장 강성모)는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용한 투명·고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

이번 연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.

현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수율을 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계를 보여 왔다.

이러한 난제를 타개하기 위해 연구팀은 빛 흡수를 높이는 방법으로 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.

이 기술은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.

이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.

연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율 증가효과 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교 시 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.

강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.