세계 최고 효율의 양자점(QD) 태양전지가 개발됐다. 개발에 사용된 양자점 용액과 소자는 장기간 보관에도 높은 성능을 유지할 수 있어 차세대 태양전지 상업화에 한 발 더 다가설 것으로 보인다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 안정성이 우수한 유기양이온기반 페로브스카이트(이하, 유기계 페로브스카이트) 양자점을 합성하고, 태양전지용 광활성 박막의 내부 결함을 억제하는 새로운 리간드 치환 기술을 개발했다.
그림1. 유기계 페로브스카이트 양자점 소재와 이를 이용한 태양전지의 구조 및 리간드 치환 방식 모식도
장성연 교수는 “개발된 기술을 바탕으로 양자점 태양전지의 효율 18.1%를 달성하였다”며 “이는 현재까지 미국 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)에서 공인한 양자점 태양전지 중 세계 최고 효율이다”고 설명했다.
지난해 나노기술의 핵심소재인 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 수상할 만큼 관련 분야에 대한 관심도가 높아지고 있다. 양자점은 수~수십 나노미터 내외의 매우 작은 반도체 결정으로 입자의 크기에 따라 광전기 특성을 조절할 수 있다.
특히 페로브스카이트 양자점은 우수한 광전기적 특성을 가진다. 상기판 위에서 성장시키는 과정 없이 용매에 뿌리거나 바르는 공정을 통해 태양전지를 제조할 수 있다. 이로 인해 제조 환경에 구애받지 않고 비교적 단순한 방식으로 일정한 품질을 낼 수 있게 된다.
그러나 실제 양자점을 태양전지로 활용하기 위해서는 양자점 표면의 리간드를 치환해 양자점 사이의 거리를 좁히는 기술이 필요하다. 유기계 페로브스카이트 양자점은 치환 과정에서 결정과 표면에 심각한 결함이 발생한다. 따라서 이제까지는 효율이 16%까지로 한정적인 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지의 소재로 사용할 수밖에 없었다.
연구팀은 태양광 활용도가 우수한 유기계 페로브스카이트 양자점의 효과적 리간드 치환을 위해 알킬암모늄 계열의 분자를 활용한 새로운 리간드 치환법을 개발했다. 치환 효율이 높고 결함이 제어된 태양전지용 양자점 광활성층이다.
그림2. 양자점 태양전지 효율 공인인증서와 NREL의 최고 효율 태양전지 차트
그 결과 기존 리간드 치환기술로 최대 13%까지 효율을 보이던 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율을 18.1%까지 향상시켰다. 2년 이상 장기간 보관에도 동일한 성능을 유지하며 높은 활용성을 보여줬다. 새롭게 개발한 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지가 높은 효율과 안정성을 동시에 갖추고 있음을 확인한 것이다.
제 1저자 이상학 연구원은 “이전까지의 양자점 태양전지 연구는 대부분이 무기계 페로브스카이트 양자점을 활용하여 이루어졌다”며 “본 연구를 통해 그동안 활용이 어려웠던 유기계 페로브스카이트 양자점의 문제점을 해결해 그 잠재력을 확인시켰다”고 전했다.
장성연 교수는 “이번 연구로 유기계 페로브스카이트 양자점의 리간드 치환법에 대한 새로운 방향을 제시했다”며 “향후 양자점 태양전지 소재 연구의 흐름을 변화하는 기점이 될 것이다”라고 덧붙였다.
이번 연구는 Havid Aqoma Khoiruddin 박사와 이상학 석·박통합과정 연구원이 공동 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 Nature Energy에 1월 27일 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 ‘개인기초연구사업-중견연구’, ‘나노 및 소재 기술개발사업-미래기술연구실’, 및 ‘글로벌 기초연구실지원사업’의 지원을 받아 이뤄졌다.
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