고민재 교수 공동연구팀, '신개념 페로브스카이트 양자점 태양전지' 개발

페로브스카이트 양자점 태양전지 효율 13.4%에서 14.1%로 올려

한양대 고민재 화학공학과 교수팀이 DGIST 김영훈 에너지융합연구부 박사팀과 공동으로 '신개념 페로브스카이트 양자점 태양전지' 개발했다고 14일 밝혔다. 이번 기술은 빛에너지 전기발광 특성도 동시에 갖추고 있어, 건물일체형 태양광 발전과 다기능성 광전소자, 라이파이 등 광기술 개발 및 상용화에 기여할 할 것으로 기대된다.

양자점은 빛 흡수 능력이 뛰어나고 넓은 영역의 빛을 흡수하는 차세대 태양전지의 핵심 소재로 꼽힌다. 페로브스카이트 양자점 태양전지는 빛을 전기에너지로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 동시에 갖고 있어, 양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 효율을 가진 것으로 알려져있다.

우수한 페로브스카이트 양자점을 합성하기 위해서는 긴 탄화수소 체인을 가진 유기 리간드가 이용된다. 리간드는 10나노미터(nm) 정도의 작은 페로브스카이트 양자점들 표면에 흡착해 다양한 무극성 용매에 분산이 될 수 있게 한다.

이러한 양자점을 기판 위에 잘 배열, 양자점 태양전지가 만들어진다. 이때 양자점 표면에 흡착된 긴 체인의 리간드는 양자점 간의 전하이동을 어렵게 해 태양전지 성능을 저하시켜 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시키는 과정을 거쳐야 한다.

연구팀은 벤젠 그룹 기반 '페네실라모늄(Phenethylammonium, PEA)' 리간드가 가진 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성에 주목했다. 또한 이를 페로브스카이트 양자점 표면에 안정적으로 흡착시키는데 성공했다. 이를 통해 태양광을 전기에너지로 바꾸는 효율을 14.1%까지 향상시켰고, 약 15일 간 실제 외부환경과 같은 조건인 상대습도 20~25%에서 90% 이상의 높은 광전변환효율을 유지하는 안정성도 추가로 확인했다.

김영훈 박사는 "짧은 탄화수소 체인을 가지면서 소수성을 갖는 리간드를 도입해 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능 및 안정성을 동시에 향상시킬 수 있음을 최초로 규명했다"며 "차세대 양자점 태양전지 개발 및 실용화를 위한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 한양대학교 김지건 화학공학과 석박사통합과정생 및 DGIST 에너지융합연구부 위촉연구원이 제1저자로 참여했고, 에너지과학 분야의 세계적 학술지 '나노 에너지(Nano Energy)' 6월 15일자 온라인판에 게재됐다.