韓 연구진, 페로브스카이트 양자점 태양전지 ‘세계 최고 효율’ 찍었다

UNIST, 새로운 양자점 태양전지 리간드 기술 개발
알킬암모늄 분자 이용해 효율 18.1% 달성
美 재생에너지연구소, 세계 최고 효율 태양전지 인증

장성연 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀./울산과학기술원

국내 연구진이 세계 최고 효율의 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지를 개발해 인증을 받았다. 태양전지에 사용된 양자점 용액과 소자는 장기간 보관에도 높은 성능을 유지해 차세대 태양전지 상용화에 도움을 줄 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 장성연 에너지화학공학과 교수 연구팀이 안정성이 우수한 유기 양이온 기반 페로브스카이트 양자점을 합성하고, 태양전지용 광활성 박막 내부 결함을 억제하는 리간드 치환기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

양자점(量子點, Quantum dots)은 반도체를 나노 크기의 입자로 만들어 같은 재료로도 크기에 따라 다른 광전기적 특성을 만드는 기술이다. 기존 디스플레이에 사용되는 발광다이오드(LED)보다 다양한 색을 낼 수 있어 디스플레이 산업에서 차세대 소재로 주목받고 있다. 지난해에는 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 받기도 했다.

연구팀이 페로브스카이트 양자점으로 태양전지의 효율을 높이는 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물이 섞여 있는 금속 산화물이다. 반도체와 부도체, 도체의 성질을 모두 가지는 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 땄다. 실리콘 전지보다 간단하고 저렴한 화학반응으로 만들 수 있는 장점이 있다. 딱딱하고 무거운 실리콘 전지와 달리 페로브스카이트는 용액 상태여서 플라스틱 필름에 바르면 휘어지는 전지가 된다.

다만 현재까지 주로 사용한 소재는 무기계 페로브스카이트 양자점이다. 유기계 페로브스카이트 양자점은 표면의 리간드를 바꿔 양자점 사이의 거리를 좁히는 기술이 필요하다. 리간드는 수용체처럼 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질을 말하는데, 유기계 페로브스카이트 양자점은 물질이 결합하고 거리가 좁혀지는 과정에서 심각한 결함이 발생했다. 앞서 개발된 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지의 최고 효율은 16% 정도였다.

장성연 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀이 개발한 태양전지용 광활성 박막 내부 결함을 억제하는 리간드 치환기술 모식도./울산과학기술원

연구팀은 유기계 페로브스카이트 양자점의 리간드 효과를 위해 알킬암모늄 계열의 분자를 활용했다. 그 결과, 기존 리간드 기술로 13% 정도의 효율을 보인 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지 효율은 18.06%까지 올랐다. 장기간 보관에도 같은 성능을 보여 활용도가 높다고 연구팀은 설명했다.

이번 연구에서 나타난 양자점 태양전지 효율은 미국 재생에너지연구소(NREL)의 인증을 받았다. 연구팀이 개발한 양자점 태양전지의 효율 18.06%는 세계 최고치로 ‘NREL 차트’에 등재됐다.

장성연 교수는 “이번 연구로 유기계 페로브스카이트 양자점 리간드 치환법에 대한 새로운 방향을 제시했다”며 “앞으로 양자점 태양전지 소재 연구의 흐름을 변화하는 기점이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 이달 27일 온라인 게재됐다.

참고자료

Nature Energy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-024-01450-9

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