양자점 태양전지 효율 18.1% 달성…"세계 최고 효율"

UNIST

장성연 교수(윗줄 왼쪽),  제 1저자 하비드 아코마 Havid Aqoma 연구원(아랫줄 원형),  제 1저자 이상학 연구원(아랫줄 왼쪽). UNIST 제공

국내 연구진이 세계 최고 공인인증효율을 보이는 양자점(QD) 태양전지를 개발했다. 차세대 태양전지 상용화에 한 발 더 다가설 것으로 보인다.

울산과학기술원(UNIST)은 장성연 에너지화학공학과 교수 연구팀이 태양광 활용도가 높은 유기양이온기반 페로브스카이트(유기계 페로브스카이트) 양자점의 치환 효율을 높인 리간드 치환법을 개발, 국제 학술지 '네이처 에너지'에 지난 27일 온라인 공개했다고 밝혔다. 

장 교수는 "양자점 태양전지의 효율 18.1%를 달성했다"며 “이는 현재까지 미국 재생에너지연구소(NREL)에서 공인한 양자점 태양전지 중 세계 최고 효율"이라고 설명했다.

양자점은 수십 나노미터(nm)의 매우 작은 반도체 결정이다. 입자의 크기에 따라 광전기 특성을 조절할 수 있다. 페로브스카이트 양자점은 특히 용매에 뿌리거나 바르는 간단한 공정을 통해 태양전지를 제조할 수 있어 차세대 태양전지의 핵심 소재로 꼽힌다.

양자점을 실제 태양전지로 활용하기 위해선 양자점 표면의 리간드를 치환해 양자점 사이의 거리를 좁혀야 한다. 리간드는 수용체 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질이다. 

유기계 페로브스카이트 양자점은 리간드를 치환하는 과정에서 결정과 표면에 심각한 결함이 생긴다. 지금까지 효율이 최대 16%였던 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지의 소재로 사용할 수 밖에 없던 이유다.

연구팀은 알킬암모늄 계열 분자를 활용해 새로운 리간드 치환법을 개발했다.유기계 페로브스카이트 양자점의 치환 효율을 높이고 결함을 제어한 태양전지용 양자점 광활성층이다. 

그 결과 기존 리간드 치환기술로 최대 13%까지 효율을 보이던 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율이 18.1%까지 향상됐다. 2년 이상 장기간 보관해도 동일한 성능을 유지했다. 연구팀은 "페로브스카이트 양자점 태양전지가 높은 효율과 안정성을 동시에 갖추고 있는 것"이라고 설명했다.

연구를 이끈 장 교수는 "유기계 페로브스카이트 양자점의 리간드 치환법에 대한 새로운 방향을 제시했다"며 "향후 양자점 태양전지 소재 연구의 흐름을 변화하는 기점이 될 것"이라고 전했다. 

[박건희 기자 wissen@donga.com]