페로브스카이트 태양전지 표면 결함 줄여 성능 높였다

(왼쪽부터) 서가영 대구경북과학기술원(DGIST) 석박사통합과정생, 최종민 교수, 이태경 경상국립대 교수, 김영훈 국민대 교수. DGIST 제공.

페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있는 방법이 개발됐다. 페로브스카이트 양자점 소재의 응용 가능성을 높이고 페로브스카이트 태양전지 상용화 시점을 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 

대구경북과학기술원(DGIST)은 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 이태경 경상국립대 나노·신소재공학부/나노신소재융합공학과 교수 연구팀, 김영훈 국민대 응용화학부 교수 연구팀과 페로브스카이트 양자점을 활용해 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 높일 수 있는 방법을 개발했다고 23일 밝혔다. 

페로브스카이트 양자점은 차세대 태양전지 소재로 페로브스카이트 구조를 가지는 나노미터 크기의 반도체 입자를 의미한다. 빛을 전기로 바꾸는 능력이 우수하고 대량생산하기 쉽다는 장점이 있다. 

페로브스카이트 양자점을 태양전지에 사용하려면 양자점 표면에 부착된 물질인 ‘리간드’를 바꿔줘야 한다. 리간드는 나노 소자 표면에 붙어있는 유기 분자나 이온을 의미한다. 

리간드를 바꾸는 과정에서 양자점 표면이 구겨진 종이처럼 왜곡된다. 이는 태양전지의 성능을 떨어뜨리고 오래 사용할 수 없게 만드는 문제를 일으킨다. 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 양쪽성 결합 특성을 가져 안정성이 높은 짧은 리간드를 사용했다. 이 리간드는 구겨진 양자점 표면을 펴서 격자 구조의 왜곡을 회복시킨다. 양자점 표면 결함을 크게 줄여 태양전지가 더 효율적으로 오랫동안 작동할 수 있도록 해주는 방법이다.

실제 실험 결과 태양전지의 전력 변환 효율은 13.6%에서 15.3%로 높아졌고 15일 동안 성능의 83%를 유지하는 안정성을 보였다. 

최 교수는 “이번 연구를 통해 양쪽성 리간드를 새로이 도입해 양자점 표면의 결함 부위를 최소화하고 양자점의 표면이 더 안정적으로 유지되도록 만들어 태양전지의 효율과 안정성을 크게 향상시킬 수 있었다”며 “페로브스카이트 양자점의 표면 안정화 연구를 지속해 향후 다양한 광전소자에 페로브스카이트 양자점이 확대 응용될 수 있기를 기대한다“고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘화학공학저널’에 지난 5일 게재됐다. 

<참고 자료> 
doi.org/10.1016/j.cej.2024.154312

[문세영 기자 moon09@donga.com]