UNIST 양자점 태양전지 효율 18.1%···세계 최고 기록 경신

양자점 리간드 교환법 개선, 장기간 보관해도 유지

[이데일리 강민구 기자] 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 세계 최고 효율의 양자점 태양전지를 개발했다.

장성연 교수(왼쪽 윗줄)와 울산과학기술원 연구팀의 단체사진.(사진=울산과학기술원)

장성연 UNIST 에너지화학공학과 교수팀은 안정성이 우수한 유기양이온기반 페로브스카이트(유기계 페로브스카이트) 양자점을 합성하고, 태양전지용 광활성 박막의 내부 결함을 막는 새로운 리간드 치환 기술을 개발했다.

지난해 나노기술의 핵심소재인 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 받아 관련 분야에 대한 관심이 크다. 양자점은 수~수십 나노미터 내외의 작은 반도체 결정으로 입자 크기에 따라 광전기 특성을 조절할 수 있다.

특히 페로브스카이트 양자점은 우수한 광전기적 특성을 가진다. 상기판 위에서 성장시키는 과정 없이 용매에 뿌리거나 바르는 공정으로 태양전지를 제조할 수 있다. 제조 환경에 구애받지 않고 비교적 단순한 방식으로 일정한 품질을 낼 수 있는 셈이다.

양자점 태양전지 효율 공인인증서와 NREL의 최고 효율 태양전지 차트.(자료=울산과학기술원)

하지만 양자점을 태양전지로 활용하려면 양자점 표면의 리간드를 바꿔 양자점 사이 거리를 좁히는 기술이 필요하다. 유기계 페로브스카이트 양자점은 치환 과정에서 결정과 표면에 결함이 발생한다. 이러한 이유로 효율이 16%까지로 한정적인 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지 소재로 쓸 수 밖에 없었다.

연구팀은 태양광 활용도가 우수한 유기계 페로브스카이트 양자점의 효과적 리간드 치환을 위해 알킬암모늄 계열 분자를 활용한 새로운 리간드 치환법을 개발했다.

그 결과 기존 리간드 치환기술로 최대 13%까지 효율을 보이던 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율을 18.1%까지 높였다. 2년 넘게 보관해도 같은 성능을 발휘하는 것으로 나타나 안정성도 확인했다.

장성연 교수는 “유기계 페로브스카이트 양자점의 리간드 치환법에 대한 새로운 방향을 제시했다”며 “앞으로 양자점 태양전지 소재 연구 흐름을 바꾸는 기점이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 지난 27일자로 온라인 공개됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)