UNIST, 세계 최고 효율 양자점(QD) 태양전지 개발

장성연 교수팀, 양자점의 리간드 교환법 개선해 18.1% 기록
장기간 보관해도 효율 유지해 상용화 가능

장성연 교수(뒷줄 왼쪽 첫번째)와 연구진

UNIST가 세계 최고 효율의 양자점(QD) 태양전지를 개발해 차세대 태양전지 상업화에 한 발 다가섰다.

UNIST(총장 이용훈)는 장성연 에너지화학공학과 교수팀이 공인 세계 최고 효율인 18.1%의 양자점 태양전지 개발에 성공했다고 28일 밝혔다.

장 교수팀은 안정성이 우수한 유기양이온 기반 페로브스카이트(유기계 페로브스카이트) 양자점을 합성하고, 태양전지용 광활성 박막 내부 결함을 억제하는 새로운 리간드 치환 기술을 개발, 적용했다. 개발한 양자점 태양전지는 효율 18.1%를 나타냈고, 이는 현재까지 미국 재생에너지연구소(NREL) 공인 양자점 태양전지 효율 가운데 세계 최고다.

양자점은 수~수십 나노미터 내외의 매우 작은 반도체 결정으로 입자 크기에 따라 광전기 특성을 조절할 수 있다. 페로브스카이트 양자점은 우수한 광전기적 특성을 갖고 있어 기판 위 성장 과정 없이 용매에 뿌리거나 바르는 공정만으로 태양전지를 제조할 수 있다.

하지만 양자점을 태양전지에 활용하려면 양자점 표면의 리간드(수용체 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질)를 치환해 양자점 사이의 거리를 좁혀야 한다. 유기계 페로브스카이트 양자점의 경우 치환 과정에서 결정과 표면에 심각한 결함이 발생한다. 기존에 효율 16%인 무기계 페로브스카이트 양자점을 태양전지 소재로 사용할 수밖에 없었던 이유다.

[연구그림] 유기계 페로브스카이트 양자점 소재와 이를 이용한 태양전지 구조 및 리간드 치환 방식 모식도

장 교수팀은 유기계 페로브스카이트 양자점의 효과적 리간드 치환을 위해 알킬암모늄 계열 분자를 활용한 새로운 리간드 치환법을 개발했다. 치환 효율이 높고 결함을 제어한 태양전지용 양자점 광활성층이다.

치환법 적용 결과, 기존 최대 13%의 유기계 페로브스카이트 양자점 태양전지 효율이 18.1%까지 향상됐다. 2년 이상 장기간 보관에도 동일한 성능을 유지해 고효율에 고안정성을 동시에 갖추고 있음을 확인했다.

장성연 교수는 “기존 양자점 태양전지 연구는 대부분 무기계 페로브스카이트 양자점을 활용했다. 우리는 그간 활용이 어려웠던 유기계 페로브스카이트 양자점을 활용해 문제 해결에 접근했다”며 “양자점 태양전지 소재 연구의 흐름을 전환하는 기점이 될 것”이라고 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com