`양자점 태양전지` 세계 최고 효율 18.1% 달성

UNIST, 유기계 페로브스카이트 양자점 활용
효율과 안정성 높이는 새 리간드 치환기술 개발

장성연 UNIST 교수

울산과학기술원 연구진이 유기 양이온 기반의 페로브스카이트 양자점을 합성해 세계 최고 효율의 '페로브스카이트 양자점 태양전지'를 개발했다. UNIST 제공

국내 연구진이 차세대 태양전지 중 하나인 페로브스카이트 양자점 태양전지 효율을 세계 최고 수준으로 끌어 올렸다. 미국 재생에너지연구소에서 공인한 양자점 태양전지 중 세계 최고 효율을 달성해 상용화에 한 발 다가섰다는 평가다.

울산과학기술원(UNIST)은 장성연(사진) 에너지화학공학과 교수팀이 안정성이 우수한 유기 양이온 기반 페로브스카이트(유기계 페로브스카이트) 양자점을 합성하고, 태양전지용 광활성 박막의 내부 결함을 억제하는 새로운 리간드 치환기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

지난해 양자점을 발견하고 발전시킨 3명의 과학자가 노벨화학상을 수상할 정도로 관심이 높아지고 있다. 양자점은 수∼수십 나노미터 내외의 매우 작은 반도체 결정으로, 입자 크기에 따라 광학적 특성이 변해 태양전지나 발광다이오드(OLED) 등에 널리 쓰인다. 특히 페로브스카이트 양자점은 기판 위에 성장시키는 과정 없이 용매에 뿌리거나 바르는 용액 공정으로 태양전지를 제조할 수 있어 공정이 단순하고 일정 수준의 품질을 확보할 수 있다. 그런데 실제 양자점을 태양전지로 활용하려면 양자점 표면의 리간드(수용체와 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질)를 치환해 양자점 사이의 거리를 좁혀야 한다. 유기계 페로브스카이트 양자점은 치환 과정에서 결정과 표면에 심각한 결함이 생겨 현재까지 효율이 16% 정도였다. 이 때문에 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지 소재로 써야 했다.

연구팀은 유기계 페로브스카이트 양자점의 효과적인 리간드 치환을 위해 치환 효율이 높고 결함을 억제하는 알킬암모늄 계열의 분자를 활용한 새로운 리간드 치환법을 개발했다. 이 치환법을 적용해 기존 13%의 효율을 18.1%까지 높일 수 있었다. 또 2년 이상 장기간 보관에도 성능이 유지되고 활용성이 높아 효율과 안정성을 동시에 갖춘 것으로 확인됐다.

장성연 UNIST 교수는 "이번 연구를 통해 그동안 활용이 어려웠던 유기계 페로브스카이트 양자점의 문제점을 해결해 잠재력을 확인할 수 있었다"며 "앞으로 양자점 태양전지 소재 연구 상용화 연구에 기폭제가 될 것"이라고 말했다. 이 연구결과는 국제 학술지 '네이처 에너지(27일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr