양자점(Quantum dot)을 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 ‘양자점 태양전지’의 효율을 11.53%로 높인 기술이 나왔다. 태양광을 받아 생성되는 ‘정공(hole)’의 추출 성능을 개선해 기존 태양전지의 전류 생성 문제를 해결한 연구로 평가받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 장성연 교수팀은 ‘유기 고분자’를 소재로 적용해 양자점 태양전지의 성능을 극대화하는 ‘양자점–유기 고분자 접합 태양전지’를 개발했다. 무기물 반도체를 이용하는 양자점 태양전지의 일부 소재를 ‘유기 고분자’로 바꿔 ‘정공’ 전달 능력을 높였다.
태양전지는 태양광을 흡수한 물질(광활성층)이 전자(electron)과 정공(hole)을 만드는 성질을 이용한다. 전자가 광활성층에서 빠져나오면, 전자가 빠진 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공이 생긴다. 이 때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동하여 전력 생산으로 이어지는 것이다. 따라서 태양전지의 효율을 높이려면 전자–정공 쌍이 많아지고, 이들이 전극으로 잘 운반돼야 한다.
그림1. 개발된 하이브리드 양자점 태양전지의 구조 및 고분자 모형
공동연구팀은 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 ‘유기 고분자’로 바꿨다. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어날뿐더러 전자과 정공이 다시 결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 잘 운반하기 때문이다.
보통 양자점 태양전지는 ‘전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)’과 ‘정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)’을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였다. 고분자를 이루는 단량체(nomoner)의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성하고, 이를 n형 양자점에 접합해 태양전지를 구성했다. 그 결과 만들어진 양자점 태양전지의 효율은 기존 p형 양자점 기반 소자(10.80%)보다 향상된 11.53%를 기록했다. 특히 새롭게 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어, 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조하는 게 가능하다.
그림2. 용액공정으로 제조가능한 양자점 태양전지 형상화(AEM 표지). 하단은 고분자 정공수송층(마젠타), 상단은 양자점(보라색)을 가르킨다.
장성연 교수는 “그동안 양자점 태양전지의 전류 생성에 큰 걸림돌이었던 정공 운반 문제를 해결한 연구”라며 “고분자 소재를 더 연구해 구조를 최적화하면 더 우수한 특성을 가진 정공 수송 소재, 즉 p형 유기 고분자를 개발할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이번 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 2월 24일자 표지 논문(back cover)으로 선정됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원으로 이뤄졌다.
