^*양자점(퀀텀닷): 아주 작은 반도체 입자로, 입자가 매우 작아서 나타나는 ‘양자구속현상’이 일어난다. 때문에 크기, 모양, 구조에 따른 밴드갭(원래는 물질 고유특성) 조절이 가능해 흡수할 수 있는 파장이 영역이 넓다.

^*하이브리드 탠덤 태양전지: 한 소자에 두 개 혹은 그 이상의 광활성층이 겹겹이 적층되어 구동되는 태양전지이며 주로 장파장(적외선등) 영역을 흡수하는 하부셀(back-cell), 단파장(가시광선 등)을 흡수하는 상부셀(front-cell)로 구성된다.

^*광활성층: 태양광을 받아 전자의 흐름을 만들어내는 부분으로, 결정질 실리콘과 유기 고분자, 페로브스카이트 등의 물질이 사용된다. 기존에는 주로 가시광선 영역을 흡수하는 물질이 광활성층으로 사용됐다.

^*용액공정: 필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로 인쇄기법이 가능하여 대면적 소자 제작이 쉽다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

실리콘 태양전지와 비교했을 때, 소재와 공정 비용을 절감하면서 유연하고 가벼운 차세대 태양전지를 만들기 위한 연구가 활발하다. 차세대 태양전지에는 양자점(Quantum Dot),유기 고분자, 페로브스카이트(Perovskite), 염료 등의 다양한 광활성 소재를 사용하는데, 소재별로 효율적으로 흡수할 수 있는 주요 파장영역대가 상이하다. 이에 따라 단일 소재로는 태양광 흡수가 제한적이라는 단점이 있다.

그동안 상보적인 특성을 보이는 이종(異種)의 소재를 하나의 태양전지 소자에 복합화하려는 노력이 많이 시도됐으나 의미 있는 연구결과를 얻는 데는 어려움이 많았다. 이종의 소재를 하나의 소자에 복합화하기 위해서는 각 소자의 광 흡수 특성뿐만 아니라, 소재들의 접합 계면에서 발생하는 에너지 준위와 전극 형성까지 소재합성에서 소자 제작에 이르는 많은 변수를 고려해야 하기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 다양하고 종합적인 연구가 요구된다.

2. 연구내용

본 연구팀은 ‘가시광 영역’에서 높은 광 흡수 특성을 보이는 ‘양자점’ 소재와 ‘근적외선 영역’에서 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있는 ‘유기 고분자’를 하나의 태양전지 소자에 복합화했다. 그 결과 가시광에서 근적외선 영역까지 효과적으로 태양광을 흡수하는 ‘하이브리드 태양전지’를 개발하는 데 성공했다.

양자점과 유기 고분자의 각 광활성층을 서로 직렬로 연결해 탠덤(Tandem) 소자를 구성함으로써 두 가지 광활성 소재의 광 흡수 특성을 효과적으로 복합화하고, 각각의 단위 소자에서 발생하는 전압을 동시에 활용해 소자 내 에너지 손실을 최소화했다.

탠덤 소자는 건전지처럼 물리적으로 쉽게 연결할 수 있는 게 아니라 ‘전자·정공 재결합층’을 통해 직렬로 연결된다. 이때 서로 다른 광활성층을 연결하는 과정에서 에너지 손실이 발생한다. 연구팀은 ‘무기(양자점)’와 ‘유기(고분자)’라는 완벽히 다른 이종소재를 연결할 때, ‘전압 손실’을 최소화할 수 있는 ‘전자·정공 재결합층’을 개발했다.

기존 황화납 양자점 소자와 유기 고분자 소자는 각각의 단일소자로는 광전변환효율이 최대 11%를 보였다. 그러나 두 소자의 복합화로 제작한 하이브리드 태양전지 소자는 광전변환효율이 12.82%에 이르렀다.

또한, 개발된 양자점·유기 고분자 하이브리드 탠덤 태양전지의 경우, 전체 공정을 상온에서 진행할 수 있으며, 제조가 손쉬운 용액 공정이 가능하므로 추후 상용화에 매우 유리할 것으로 기대된다.

^*전자정공재결합층: 물리적으로 두 광활성층을 이어주는 박막으로 각 광활성층에서 발생된 정공 및 전자의 재결합을 하며 고투명도가 요구되는 분리층

^*광전변환효율: 태양전지가 조사된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 효율로 개방전압과 단락전류에 비례한다.

3. 기대효과

하이브리드 탠덤 태양전지는 다양한 소재들이 지니는 고유한 특성 중 장점만을 최대한 살릴 수 있는 능력이 있다. 따라서 본 개념은 다양한 이종소재들의 하이브리드 소자화를 촉진하는 연구방향을 선도할 것으로 기대된다. 또 저온 용액공정을 통한 하이브리드 소자 제조 기술은 차세대 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 큰 역할을 할 것이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구에서 개발된 양자점·유기 하이브리드 탠덤 태양전지

(a) 하이브리드 탠덤 태양전지의 구조. 밤색(CQD ink)이 양자점, 파란색이 유기고분자 소재이다.

(b) 양자점(빨간색)과 유기 고분자(검정색)의 광흡수 거동 그래프. 양자점·유기물 하이브리드 태양전지(회색) 광흡수 거동의 그래프는 두 물질이 각각 흡수하는 영역에서 보이는 그래프와 유사한 형태를 보인다. 이는 각 소재의 광흡수 특성이 소자에 잘 적용됐음을 확인시켜주는 그림이다.

(c) 하이브리드 탠덤 태양전지에서 얻어진 외부 양자효율 그래프. 가로축은 빛의 파장, 세로축은 외부에서 들어온 광자(빛 알갱이)로 전자를 방출한 비율을 나타내는 양자효율.