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| 윗줄 왼쪽 장성연 교수, 아랫줄 왼쪽 원형부터 제 1저자 Havid Aqoma 연구원, 제 1저자 이상학 연구원(울산과학기술원) |
약 18%의 세계 최고 효율의 양자점(QD) 태양전지가 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 장성연 교수팀이 안정성이 우수한 유기양이온기반 페로브스카이트(유기계 페로브스카이트) 양자점을 합성하고 태양전지용 광활성 박막의 내부 결함을 억제하는 새로운 리간드 치환 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.
장성연 교수는 이번 기술 개발에 대해 “개발된 기술을 바탕으로 양자점 태양전지의 효율 18.1%를 달성했다”며 “이는 현재까지 미국 재생에너지연구소(NREL)에서 공인한 양자점 태양전지 중 세계 최고 효율”이라고 설명했다.
지난해 나노기술의 핵심소재인 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 수상할 만큼 관련 분야에 대한 관심도가 높아지고 있다. 양자점은 수~수십 나노미터 내외의 매우 작은 반도체 결정으로 입자의 크기에 따라 광전기 특성을 조절할 수 있다.
페로브스카이트 양자점은 우수한 광전기적 특성을 가진다. 상기판 위에서 성장시키는 과정 없이 용매에 뿌리거나 바르는 공정을 통해 태양전지를 제조할 수 있다. 이로 인해 제조 환경에 구애받지 않고 비교적 단순한 방식으로 일정한 품질을 낼 수 있게 된다.
하지만 실제 양자점을 태양전지로 활용하기 위해서는 양자점 표면의 리간드(수용체와 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질을 나타내는 용어)를 치환해 양자점 사이의 거리를 좁히는 기술이 필요하다. 유기계 페로브스카이트 양자점은 치환 과정에서 결정과 표면에 심각한 결함이 발생해 이에 따라 이제까지는 효율이 16%까지로 한정적인 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지의 소재로 사용할 수밖에 없었다.
장성연 교수 연구팀은 태양광 활용도가 우수한 유기계 페로브스카이트 양자점의 효과적 리간드 치환을 위해 알킬암모늄 계열의 분자를 활용한 새로운 리간드 치환법을 개발했다. 치환 효율이 높고 결함이 제어된 태양전지용 양자점 광활성층이다.
그 결과 기존 리간드 치환기술로 최대 13%까지 효율을 보이던 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율을 18.1%까지 향상시켰다. 2년 이상 장기간 보관에도 동일한 성능을 유지하며 높은 활용성을 보여줬다. 새롭게 개발한 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지가 높은 효율과 안정성을 동시에 갖추고 있음을 확인한 것이라고 유니스트는 설명했다.
유니스트는 장 교수 연구팀이 제안한 리간드 교환방식의 도입을 통해 기존에 활용이 어려웠던 유기계 양이온 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능을 획기적으로 향상시켰고 앞으로 양자점 태양전지의 급격한 효율 발전을 기대했다.
특히 공정적인 이점을 가진 양자점 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킨 연구결과를 기반으로 상용화했을 때 재생가능 에너지원의 활용을 통한 탄소배출 완화와 기존 실리콘 태양전지 대비 제조단가를 낮춰 더 지속 가능한 미래에 기여할 것이라고 덧붙였다.
이번 연구는 Havid Aqoma Khoiruddin 박사와 이상학 석·박통합과정 연구원이 공동 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처 에너지에 지난 27일 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단 ‘개인기초연구사업-중견연구’, ‘나노 및 소재 기술개발사업-미래기술연구실’, 및 ‘글로벌 기초연구실지원사업’의 지원을 받아 이뤄졌다.
장성연 교수는 “이번 연구로 유기계 페로브스카이트 양자점의 리간드 치환법에 대한 새로운 방향을 제시했다”며 “향후 양자점 태양전지 소재 연구의 흐름을 변화하는 기점이 될 것”이라고 밝혔다.
이원배 기자 lwb21@viva100.com
