KAIST EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀과 캐나다 토론토대 전기 및 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수 공동 연구팀이 유기 단분자 물질 도입을 통한 고효율, 고 안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다.

연구팀이 개발한 유기 고분자-양자점 하이브리드 태양전지는 단순 성능 개선을 넘어 기존의 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결할 수 있는 구체적인 방안을 제시하고, 차세대 에너지원으로써 하이브리드 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

백세웅, 전선홍 박사, 김병수 박사과정 및 앤드류 프로페(Andrew H. Proppe) 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 11월 11일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient hybrid colloidal quantum dot/organic solar cells mediated by near-infrared sensitizing small molecules)

새롭게 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리.

높은 기계적 특성 및 흡광 계수를 갖는 유기 고분자와 근적외선 영역을 흡수할 수 있는 콜로이달 양자점을 이용해 제작되는 하이브리드 태양전지는 용액공정으로 제작할 수 있고 두 물질의 장점을 모두 취할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받아왔다.

하지만 유기 고분자-양자점 기반의 하이브리드 구조는 낮은 광전변환 효율과 안정성 측면에서 기존의 차세대 태양전지들과 경쟁하기에 부족한 점이 있다.

낮은 전하추출 능력과 그로 인해 발생하는 재결합 문제로 인해 최근까지도 10% 이하의 낮은 광전변환 효율에 머무르는 하이브리드 태양전지의 성능 개선이 필요한 실정이다.

연구팀은 문제 해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새 유기 단분자 구조를 도입했다. 이렇게 유기 단분자 매개체 도입된 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존의 구조보다 다양한 강점을 가진다.

우선 기존의 유기 고분자에서 생성된 엑시톤을 원활하게 추출할 수 있으며, 상호 보완적인 흡광 대역이 형성돼 추가적인 전류 향상을 얻을 수 있고, 계단형 에너지 레벨을 형성해 에너지 및 전하를 효과적으로 운반할 수 있다.

이러한 강점을 통해 연구팀은 13.1%의 광전변환 효율을 달성했으며, 이는 기존의 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 높은 효율이다. 뿐만 아니라 제작 후 약 1500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했으며, 최대 전력 조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 유지했다.

이 교수는 “단분자를 도입해 기존의 하이브리드 구조의 고질적인 한계를 극복하고 고효율의 차세대 태양전지를 구현했다”라며 “개발한 고효율 태양전지는 최근 주목받고 있는 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업에 적용 가능한 차세대 에너지 동력원으로써 주목받게 될 것이다”라고 말했다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

* 용어 설명

1. 콜로이달 양자점 (Colloidal quantum dots)

콜로이달 양자점은 보어반경보다 적은 수나노미터 수준의 입자로, 이러한 작은 크기로 인해 ‘양자구속효과’라는 독특한 성질을 띄게 된다. 양자점 사이즈를 조절해 적절한 밴드갭을 형성시킬 수 있고, ‘Shockley-Quiesser limit’ 이라는 태양 전지의 이론적 효율 한계를 극복할 수 있다는 점에서 차세대 반도체 물질로서 주목받고 있다. 또한 콜로이달 양자점의 경우 용액공정을 통해 합성 및 소자 제작이 가능하기 때문에 태양전지 시장 뿐만이 아니라 최근에는 디스플레이 및 센서 시장 등에서도 응용이 될 수 있다.

2. 양자점/유기 하이브리드 구조 (CQD/organic hybrid structure)

양자점/유기 하이브리드 구조는 전기적인 특성이 좋은 콜로이달 양자점 및 이와 상보적인 흡광 대역을 가지고 기계적 특성이 좋은 유기 물질을 함께 사용해 두 물질의 장점을 함께 취하고, 이 두 물질의 시너지 효과로 고효율, 고안정성의 광전변환소자를 구현할 수 있다는 점에서 최근까지 주목받았다.

이러한 하이브리드 구조는 1) 양자점과 유기 고분자의 계면에서 발생하는 결함들, 2) 유기 고분자와 양자점간의 불안정한 나노모폴로지 및 3)유기물질의 짧은 엑시톤 확산 거리에 의한 재결합으로 인해 낮은 효율을 보고하고 있다. 본 연구에서는 이 중에서도 유기물질의 짧은 엑시톤 확산 거리로 인한 재결합을 억제, 최고효율의 양자점/유기 고분자 하이브리드 태양전지를 구현했다.

3. 흡광 대역

모든 반도체 물질은 밴드갭보다 큰 에너지의 광자를 흡수해 전자, 정공을 형성할 수 있는 데 이를 광전효과라고 한다. 따라서 밴드갭 및 각각의 특정한 에너지 밴드 구조를 가지는 반도체 물질들은 그들 고유의 빛을 흡수할 수 있는 파장 대역을 가지는 데, 이를 흡광 대역이라고 한다. 대부분의 벌크 무기 물질의 경우 연속적인 밴드 구조를 가지므로 밴드갭보다 큰 에너지의 광자를 모두 흡수할 수 있고, 따라서 밴드갭 에너지에 준하는 파장보다 낮은 파장의 빛을 모두 흡수할 수 있다.

본 연구에서 사용한 유기물질 및 무기 양자점의 경우 기존의 결정구조와는 다른 에너지 밴드 구조를 가져, 그들만의 독특한 흡광 대역을 가지고, 특히 양자점의 경우에는 양자구속효과를 통해 양자점의 크기를 조절하여 흡광 대역을 변화시킬 수 있다.