UNIST, 양자점 태양전지 효율 18.1% 달성...“세계 최고 효율”

장성연(윗줄 왼쪽 첫번째) 울산과학기술원(UNIST) 교수와 연구진. [사진=UNIST]

국내 연구팀이 세계 최고 효율의 페로브스카이트 양자점 태양전지를 개발했다. 페로브스카이트 양자점 태양전지는 빛을 전기에너지로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 가져 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

장성연 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구팀은 28일 “양자점 태양전지의 효율 18.1%를 달성했다”고 국제학술지 ‘네이처 에너지’에 게재했다고 밝혔다. 18.1%는 현재까지 미국 재생에너지연구소(NREL)에서 공인한 양자점 태양전지 중 세계 최고 효율이다.

페로브스카이트 소재는 부도체, 반도체, 도체의 성질과 초전도현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물로 용액 공정이 간단하고 전기전도성이 높다. 양자점을 이용한 페로브스카이트 태양전지는 일반 페로브스카이트 태양전지에 비해 공정이 덜 필요하고 이론적으로 성능이 더 높아 주목받는다.

그러나 실제 양자점을 태양전지로 활용하기 위해서는 과제가 존재한다. 양자점 사이의 거리를 좁혀야 한다. 현재 기술 수준으로는 양자점 사이의 거리를 좁힐 때 결정과 표면에 심각한 결함이 발생한다.

연구팀은 이 문제를 해결했다. 양자점 사이의 거리를 좁힐 때 ‘리간드’를 치환하는 과정을 거친다. 리간드는 수용체와 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질이다. 연구팀은 새로운 리간드 치환법을 개발했다. 연구팀은 “효과적 치환을 위해 알칼암모늄 계열의 분자를 활용했다”며 “그랬더니 치환 효율이 높아지고 결함이 제어됐다”고 설명했다.

새 리간드 치환법으로 만든 양자점 태양전지는 18.1%의 효율을 보였다. 이전에 최대 13% 효율을 보여왔다. 2년 이상 장기간 보관에도 동일한 성능을 유지하는 것으로 나타났다. 연구팀은 “양자점 태양전지의 높은 효율과 안정성을 동시에 보여준 것”이라고 밝혔다.

장 교수는 “이번 연구로 페로브스카이트 양자점 태양전지의 새 방향을 제시했다”며 “향후 관련 연구의 흐름을 변화하는 기점이 될 것”이라고 밝혔다.