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페로브스카이트 표면 안정화 방안 찾았다… 태양전지 효율 경쟁력 확보
DGIST 등 연구진, ‘공유결합성 리간드’ 통한 해법 제시

[인더스트리뉴스 최용구 기자] DGIST(총장 국양) 에너지공학과 최종민 교수 등 공동연구팀이 페로브스카이트(Perovskite)의 안전성과 효율성을 극대화한 새로운 ‘표면 안정화’ 방안을 제시했다.

연구팀은 양자점의 표면 결함을 감소시킬 수 있는 효과적인 솔루션을 발견했다고 최근 밝혔다.

페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성에 더해 간편한 제조법으로 대량 생산이 가능하다. 차세대 광전자 소자에 적용하기 위한 연구가 활발하다.

최근 GIST 등 국내연구진은 효율·수명을 극대화시킨 ‘유기금속 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트) 광전극’ 제조에 성공하기도 했다.

표면 안정화 전략 모식도. 표면 안정화 전략을 통해 태양전지의 효율이 증가했다. [자료=DGIST]

앞서 NREL은 태양전지 생산의 확대를 불러올 파괴적 기술(disruptive technology)로 ‘탠덤 기술’을 지목했는 데, 탠덤 기술은 실리콘 태양광 셀 위에 페로브스카이트 박막 셀을 결합하는 기법이다.

페로브스카이트 태양전지는 차세대 품목으로 주목받고 있다. 기존 실리콘 태양전지와 달리 용액 공정이 간단하고 제조 과정의 효율을 높여 가볍고 유연한 태양전지를 구현할 수 있다.

페로브스카이트 양자점을 광전소자에 적용하려면 ‘리간드 교환 과정’이 필수다. 양자점 사이의 거리를 줄여 전도성을 향상시키는 과정이다. 

리간드 교환 과정은 극성 용매에 짧은 사슬의 이온성 리간드를 녹인 용액이 페로브스카이트 양자점 박막과 반응함으로써 이루어진다. 극성 용매는 양자점 표면의 리간드를 탈착시킴과 동시에 짧은 사슬의 리간드를 양자점 표면으로 공급하는 역할을 한다.

기존의 리간드 교환 과정은 페로브스카이트 양자점 박막을 극성 용매에 녹이는 식이다. 하지만 극성 용매가 양자점 표면을 손상시키는 등 결함을 유발한다. 학계는 결함을 줄이기 위한 여러 방안들을 시도하고 있지만 ‘이온성 리간드’라는 틀을 벗어나지 못하고 있다.

참여 연구진. (왼쪽부터) DGIST 최종민 교수, 한상훈·서가영 석박사통합과정생, 국민대 김영훈 교수 [사진=DGIST]

페로브스카이트 양자점 표면은 이온 결합 특성으로 인해 극성 용매에 취약하다. 또 이온성 리간드와 양자점 표면 사이의 결합력이 약하기 때문에 표면에 많은 결함 자리(defect sites)가 생성된다.

최종민 교수 등은 공유결합성 리간드를 도입했다. 아울러 무극성 용매를 적용함으로써 양자점의 표면을 보호했다. 이를 통해 ‘고효율’과 ‘장기 안정성’을 모두 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지를 개발했다.

무극성 용매는 용매로 인한 추가 결함을 방지하는 효과를 냈다. 공유결합성 리간드는 배위결합을 통해 양자점 표면의 결함 부분와 강하게 접하며 그만큼 결함을 제어했다.

최 교수는 “표면 안정화 처리 후 페로브스카이트 양자점 박막의 광전기적 특성 및 박막 안정성을 더욱 향상시킬 수 있었다”며, “최종적으로 고효율 및 장기 안정성을 갖는 양자점 태양전지를 제작할 수 있었다”고 설명했다.

연구결과는 양자점 기반의 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 전망이다. 다만 양자점 표면과 리간드 사이의 결합 또는 결함의 감소 등은 아직 실험적 증거로 밖에 학인할 수 없다. 무엇보다 기술 등 한계가 따른다. 보다 정밀한 제어를 위해선 리간드의 부착 유무를 육안으로 확인할 기술 및 장비가 있어야 한다는 게 학계의 설명이다.

최 교수는 “이번에 실험을 통해 간접적으로 확인되기는 했지만 현재로선 한계가 많다”며, “보다 정밀하게 양자점 표면을 제어하려면 리간드가 잘 붙었는지를 육안으로 확인할 수 있는 기술과 장비가 개발돼야 한다”고 말했다.

그는 기존 방법에 국한되지 않은 표면 안정화 전략을 제시했다는 점에 의미를 부여했다. 페로브스카이트 양자점 광전소자 응용에 용매와 리간드의 선별이 중요한 것을 감안하면 선택이 폭이 넓어졌다고 평가했다.

연구팀 관계자는 “연구에서 제시한 표면 안정화 전략은 리간드 교환이 모두 끝난 후 시행하는 것이기 때문에 소자 종류에 관계없이 모든 양자점 기반의 광전소자에 도입할 수 있는 보편적인 방법이 될 것”이라고 덧붙였다.

본 연구에는 최 교수와 더불어 DGIST 한상훈, 서가영 학생 및 국민대학교 김영훈 교수팀이 함께 참여했다. 연구개발 자금은 한국연구재단과 DGIST R&D Program에서 지원됐다.

연구팀에 따르면 ‘트라이페닐포스파인 옥사이드(triphenylphosphine oxide)’란 리간드가 무극성 용매에 분산된다는 사실을 우연히 발견할 것에서 연구가 시작됐다고 한다.

관련 논문 등 연구결과는 국제학술지 ‘Advanced Science’에 8월 16일자로 게재됐다. 최 교수는 “양자점은 표면에서 굉장히 많은 일이 발생한다. 따라서 양자점 기반의 광전소자가 상용화되기 위해선 표면 제어가 매우 중요하다”며, “관련 재료의 상용화에 기여하고 싶다”고 밝혔다.

[최용구 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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