[에너지단열경제]박장수 기자
개발된 양자점 태양전지의 구조 및 고분자 모형 /사진=UNIST
국내 연구진이 양자점(퀀텀닷)을 광활성층으로 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 '양자점 태양전지' 효율을 11.53%까지 높이는 기술을 개발했다.
울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈) 장성연 에너지 및 화학공학부 교수팀이 유기 고분자를 소재로 양자점 태양전지 성능을 극대화한 '양자점-유기 고분자 접합 태양전지'를 개발했다.
무기물 반도체를 이용하는 양자점 태양전지 일부 소재를 유기 고분자로 바꿔 정공 전달 능력을 높인 게 핵심이다.
태양광을 받아 생성되는 ‘정공(hole)’의 추출 성능을 개선해 기존 태양전지의 전류 생성 문제를 해결한 연구로 평가받고 있다.
연구팀에 따르면 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.
연구팀은 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.
장성연 교수는 “양자점 태양전지 전류 생성에 큰 걸림돌이던 정공 운반 문제를 해결한 연구”라며 “고분자 소재를 더 연구해 구조를 최적화하면 더 우수한 특성을 가진 정공 수송 소재를 개발할 수 있을 것”이라 말했다.
이 연구는 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 2월 24일자 표지 논문으로 실렸다.
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