 고성능·고안정성 양자점 태양전지 개발 KAIST, 단분자 박막 정공선택층으로 활용
콜로이드(colloidal) 양자점 태양전지는 앞으로 태블릿, 노트북과 스마트폰과 같은 휴대용 기기의 보조에너지원뿐 아니라, 건물통합형 태양광발전(BIPV) 등에 사용될 것으로 전망될 정도로 좋은 특성을 갖고 있다. 그만큼 활발한 연구가 이루어지면서 성능이 개선되고 있으며 상용화를 앞두고 있다. 그러나 광변환 효율과 안정성, 비용 등이 아직까지 한계로 지적되고 있다. KAIST가 발표한 이번 연구는 이러한 한계를 넘어서기 위한 것이다.
자료제공 : KAIST
KAIST EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 산소와 수분에 저항성을 갖는 박막을 이용해 고성능, 고안정성의 양자점 태양전지 제작 기술을 개발했다. 백세웅 박사와 이상훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지《 에너지&인바이러멘탈 사이언스》 5월 10일자 온라인 판에 게재됐다(논문명 : A hydro/oxophobic top hole-selective layer for efficient and stable colloidal quantum dot solar cells).
콜로이드 양자점 태양전지는 매우 가볍고 유연하며 근적외선 영역까지 흡수하는 특성 때문에 차세대 전자소자의 에너지 소재로 주목받고 있다. 최근 변환효율이 향상되면서 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 아직까지 효율과 안정성, 비용 측면에서 기존의 상업화된 태양전지에 비해 경쟁력이 부족했다.
싸고 높은 효율뿐만 아니라, 응용범위가 넓은 단분자 박막
연구팀은 비정질의 단분자 박막이 산소 및 수분에 높은 저항성을 갖는 것에 주목해 이를 양자점 태양전지의 외부 전극 쪽 정공선택층으로 활용하는 기술을 개발했다. 산소 및 수분에 저항성이 높은 막을 외부 전극 쪽에 활용하면 공기 중에 노출됐을 때 산소나 수분의 침투를 효과적으로 막아 양자점 태양전지소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 이 단분자 박막은 유기 반도체 증착을 통해 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있어 단순한 배리어 층이 아닌 태양전지에서 생성된 정공(正孔)을 효과적으로 전달하는 역할도 수행할 수 있다.
연구팀의 기술은 다양한 장점을 갖는다. 우선 진공증착 방식을 이용하기 때문에 소자 종류와 상관없이 어떠한 박막소자에도 응용 가능하다. 또한 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 박막이 갖는 산소 및 수분의 차단 특성을 극대화할 수 있다. 이외에도, 양자점 층에서 생성된 정공을 전극까지 효과적으로 전달할 수 있고 비싼금 전극을 성능 감소 없이 저렴한 은 전극으로 대체할 수 있기 때문에 소자의 생산비용을 크게 낮출 수 있다.  비정질 단분자 박막을 3D 이미지로 묘사한 개념도 개발한 기술에 대한 개념도 제작된 양자점 태양전지 성능 그래프
11.7%의 최고효율을 달성
1년 후에도 초기효율의 90% 이상 유지
연구팀은 이 기술로 고성능 및 고안정성 양자점 태양전지를 제작하는데 성공했다. 이는 기존의 금 전극을 사용해 제작한 고효율 양자점 태양전지와 비슷한 효율을 가진다. 연구팀은 단분자 박막을 이용한 양자점 태양전지를 제작해 약 11.7%의 최고효율을 달성했고, 산소 및 수분 저항성을 확보해 소자를 공기 중에서 보관할 때에 약 1년이 지나도 초기 효율의 90% 이상을 유지함을 확인했다.
이정용 교수는 단분자 박막을 이용한 기술에 대해 “양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점 발광소자, 유기 전자소자, 페로브스카이트 소자 등 다양한 분야에 적용이 가능한 기술”이라며 “저렴한 가격에 고효율의 양자점 태양전지를 제작해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응 기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
빠르게 성장하고 있는 양자점 태양전지
태양전지는 친환경 대체 에너지 발전원으로서 재생에너지 가운데 큰 비중을 차지하고 있다. 하지만 이러한 장점에도 불구하고 발전효율에 있어 한계가 뚜렷해 이를 넘어서려는 노력이 세계적으로 이어지고 있다. 태양전지 발전소의 규모를 늘리는 것 못지않게 발전의 효율성을 높이는 것이 환경보존의 측면에서도 효율적이기 때문이다.
이러한 노력 끝에 실리콘과 에피택셜(Epitaxial) 3-5 족 반도체와 같은 단결정 혹은 단결정 박막 소재를 이용한 태양전지는 20~41.4%에 해당하는 고효율을 달성하기도 했다. 더불어 간단하면서도 저렴한 공정을 개발하는 노력뿐만 아니라 다양하게 응용할 수 있는 태양전지의 개발도 활발하게 진행되고 있다.
그 가운데, 콜로이드 양자점(Colloidal Quantum Dot)은 여러 가지 방법으로 다양한 기판에 코팅할 수 있는 장점이 있다. 또한, 양자점의 크기를 조절해 밴드갭(Band-gap) 에너지를 광범위하게 제저할 수 있다는 이점도 있다고 한다. 양자점 태양전지는 이러한 특성 때문에 연구 기간이 그리 길지 않음에도 빠르게 성장하고 있는 분야로 손꼽힌다. (참고 : “콜로이드 양자점 태양전지의 최근 발전 동향: 양자점 합성과 소자 구조에서의 다양한 접근 방법” 최민재·정연식)
<Energy News>
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