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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. |
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*양자점(Quantum dot) 태양전지: 양자점을 광활성층(태양광을 받아 전자를 생산하는 물질)으로 이용하는 태양전지. 양자점은 아주 작은 무기물 반도체 입자다. 흡수할 수 있는 파장대를 조절할 수 있고, 가볍고 제조공정이 간단하다.
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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. |
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. |
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*단량체(monomer): 단량체는 고분자의 기본 단위 구조 분자를 말한다. 고분자는 단량체가 여러 개가 ‘중합’반응을 일으켜 생성되는 물질이다. *용액공정: 필름을 입힐 때 소재를 용매에 분산시켜 코팅하는 공정으로 인쇄기법이 가능하여 대면적 소자 제작이 쉽다 |
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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. 논문명: Molecular Engineering in Hole Transport π‐Conjugated Polymers to Enable High Efficiency Colloidal Quantum Dot Solar Cells |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1. 연구배경 실리콘 태양전지와 비교했을 때, 소재와 공정 비용을 절감하면서 유연하고 가벼운 차세대 태양전지를 만들기 위한 연구가 활발하다. 양자점(Quantum Dot) 태양전지는 각광받는 차세대 태양전지중 하나로 양자점 태양전지의 광전변환효율 (태양광을 전기에너지로 변환하는 능력)향상은 상용화를 위해 매우 중요한 요소이다. 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. 전자와 정공은 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동하여 전력 생산으로 이어지는 것이다. 따라서 태양전지의 효율을 높이려면 전자-정공 쌍을 많이 만드는 것 뿐만 아니라 이들이 전극으로 잘 운반하는 것이 중요하고, 다시 합쳐지려는 성질이 있는 전자와 정공을 효율적 분리해야 한다.
2. 연구내용 보통 양자점 태양전지는 ‘전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)’과 ‘정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)’을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였다. 본 연구팀은 기존에 사용되던 p형 양자점층 보다 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 ‘유기 고분자’로 바꿨다. 고분자를 이루는 단량체(nomoner)의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성하고 이를 n형 양자점층과 접합시킴으로써 양자점 태양전지의 효율을 증대시킨 유무기 하이브리드 접합태양전지를 개발했다. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어날뿐더러 전자과 정공이 다시 결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 잘 운반 할 수 있다. 정공추출 능력이 우수한 p형 고분자반도체를 개발하기 위해서는 모노머 소재의 화학적 구조디자인, 일정한 분자량을 지니는 고분자의 중합, 그리고 양자점 광활성층을 얇지만 고르게 도포 해야한다. 또한 양자점에서 발생하는 정공을 효율적으로 추출하는 능력과 더불어, 광흡수 영역대를 최소화하여 소자 내의 기생흡수를 억제(광흡수는 n형 양자점에 이뤄지므로, p형 고분자에 의한 광흡수 최소화)하는 것 또한 중요하다. 본 연구에서는 p형 고분자반도체 소자의 광학적, 전기적 특성을 제어하여 이러한 요건을 만족하는 정공수송소재를 개발하였다. 개발한 p형 고분자 정공수송층을 이용해 기존의 p형 양자점 기반의 소자(10.80%)보다 향상된 11.53%의 광전변환효율을 얻었다. 특히 새롭게 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어, 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조하는 게 가능하다.
3. 기대효과 이번에 개발한 p형 고분자의 경우는 기존 정공수송소재인 p형 양자점보다 더 우수한 특성을 가지는 유기정공소재라는 점에서 큰 의미가 있다. 또한 이번 연구를 통해 향후 고분자소재의 추가적 구조최적화 연구를 통해 더 우수한 특성의 p형 고분자 정공수송 소재를 개발할 수 있는 전기를 마련했다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. Advanced Energy Materials 표지(back cover). 용액공정으로 제조가 가능한 양자점 태양전지 형상화 했다. 아래쪽은 p-형 유기고분자 소재, 위쪽은 n-형 양자점. 양자점과 유기고분자 소자를 접합해 하이브리드 양자점 태양전지를 만들었다. |
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그림2. 개발된 양자점 태양전지의 구조 및 고분자 모형 (a) 양자점 태양전지의 구조. 밤색(CQD ink)이 양자점, 파란색이 유기고분자 소재이다. (b) 본 연구에 사용된 고분자의 분자모형. (c) 양자점 태양전지의 광흡수거동 계산 결과. 고분자 정공수송층 소재의 구조에 따라 광흡수 거동이 변화하는 것을 보여줌.
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![[연구그림] 개발된 양자점 태양전지의 구조 및 고분자 모형](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2020/04/연구그림-개발된-양자점-태양전지의-구조-및-고분자-모형.jpg)
![[표지이미지] 용액공정으로 제조가능한 양자점 태양전지 형상화](https://news.unist.ac.kr/kor/wp-content/uploads/2020/04/표지이미지-용액공정으로-제조가능한-양자점-태양전지-형상화.jpg)