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KAIST, 하이브리드 태양전지의 신기원 열었다
유기 고분자-양자점 하이브리드 태양전지 개발... 기존보다 30% 향상

[인더스트리뉴스 김관모 기자] KAIST(총장 신성철) EEWS(Energy Environment Water Sustainability) 대학원 연구팀이 캐나다 토론토 대학교 연구팀과 공동으로 새로운 고분자-양자점 하이브리드 태양전지를 개발하는데 성공했다. 이번 태양전지는 기존의 것들보다 한 차원 높은 성능을 보이고 있어서 하이브리드 태양전지의 새로운 장을 연 것으로 평가된다.

이정용 KAIST EEWS 대학원 및 전기 및 전자공학부 교수의 모습 [사진=KAIST]

KAIST는 EEWS 대학원의 이정용 교수 연구팀과 토론토 대학교 전기 및 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수 공동 연구팀은 유기 단분자 물질 도입을 통한 고효율, 고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 11월 19일 밝혔다.

연구팀이 개발한 유기 고분자-양자점 하이브리드 태양전지는 단순한 성능 개선을 넘어 기존의 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결할 수 있다는 가능성도 제시했다. 따라서 KAIST측은 “이번 개발 성공이 차세대 에너지원으로써 하이브리드 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구 결과는 백세웅, 전선홍 박사, 김병수 박사과정 및 앤드류 프로페(Andrew H. Proppe) 박사가 공동 1 저자로 참여했으며, 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 11월 11일 자 온라인판에 게재됐다. 

하이브리드 태양전지는 높은 기계적 특성 및 흡광 계수를 갖는 유기 고분자와 근적외선 영역을 흡수할 수 있는 콜로이달 양자점(Colloidal quantum dots)을 이용해 제작된다. 특히 콜로이달 양자점은 보어반경보다 작은 수 나노미터 수준의 입자로 양자구속효과를 가지고 있어, 용액공정으로도 제작할 수 있다. 따라서 이런 물질들의 장점을 모두 취할 수 있다는 점에서 하이브리드 태양전지는 학계나 산업계에서 많은 관심을 받아왔다.

반면, 유기 고분자-양자점 기반의 하이브리드 구조는 광전 변환 효율이 매우 낮고, 안정성 측면 역시 기존의 차세대 태양전지들과 경쟁하기에 부족한 점이 많았다. 아울러 낮은 전하추출 능력과 그로 인해 발생하는 재결합 문제로 인해 최근까지도 10% 이하의 낮은 광전변환 효율에 머무르는 애로점도 있었다.

이에 연구팀은 문제 해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새로운 유기 단분자 구조를 도입했다고 설명했다. 이런 공정을 거쳐서 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존의 구조보다 다양한 강점을 가지게 됐다는 것. 따라서 연구팀은 기존의 유기 고분자에서 생성된 엑시톤을 원활하게 추출할 수 있으며, 상호 보완적인 흡광 대역이 형성돼 추가적인 전류 향상을 얻을 수 있고, 계단형 에너지 레벨을 형성해 에너지 및 전하를 효과적으로 운반할 수 있었다.

왼쪽 그림은 새롭게 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리, 오른쪽 그림은 구현한 태양전지 소자의 광전기적 특성 및 안정성 그래프. 연구팀은 이번 연구를 통해서 하이브리드 태양전지의 한계를 한단계 뛰어넘었다. [자료=KAIST]

그 결과, 통해 연구팀은 13.1%의 광전변환 효율을 달성한 것으로 나타났다. 이는 기존의 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 높은 효율이다. 그뿐만 아니라 제작 후 약 1,500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했으며, 최대전력조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 유지했다.

이 교수는 “단분자를 도입해 기존의 하이브리드 구조의 고질적인 한계를 극복하고 고효율의 차세대 태양전지를 구현했다”며, “개발한 고효율 태양전지는 최근 주목받고 있는 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업에 적용 가능한 차세대 에너지 동력원으로써 주목받게 될 것이다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

<용어 설명>

-콜로이달 양자점 (Colloidal quantum dots)

콜로이달 양자점은 보어반경보다 작은 수 나노미터 수준의 입자를 의미한다. 따라서 양자점의 사이즈를 조절함으로써 적절한 밴드갭을 형성시킬 수 있고, Shockley-Quiesser limit 이라는 태양전지의 이론적 효율 한계를 극복할 수 있다는 점에서 차세대 반도체 물질로서 주목받고 있다. 또한 용액공정을 통해 합성 및 소자 제작이 가능하기 때문에 최근에는 디스플레이 및 센서 시장 등에서도 응용이 될 수 있다.

-양자점/유기 하이브리드 구조 (CQD/organic hybrid structure)

양자점/유기 하이브리드 구조는 전기적인 특성이 좋은 콜로이달 양자점 및 이와 상보적인 흡광 대역을 가지고 기계적 특성이 좋은 유기 물질의 장점을 모두 가진다. 하지만 이러한 하이브리드 구조는 △양자점과 유기 고분자의 계면에서 발생하는 결함들, △유기 고분자와 양자점간의 불안정한 나노모폴로지, △유기물질의 짧은 엑시톤 확산 거리에 의한 재결합으로 인해 낮은 효율을 보이는 단점도 있다.

-흡광 대역

모든 반도체 물질은 밴드갭보다 큰 에너지의 광자를 흡수해 전자, 정공을 형성할 수 있는 데 이를 광전효과라고 한다. 따라서 밴드갭 및 각각의 특정한 에너지 밴드 구조를 가지는 반도체 물질들은 그들 고유의 빛을 흡수할 수 있는 파장 대역을 가지는 데, 이를 흡광 대역이라고 한다. 본 연구에서 사용한 유기물질 및 무기 양자점의 경우 기존의 결정구조와는 다른 에너지 밴드 구조를 가져, 그들만의 독특한 흡광 대역을 가지고, 특히 양자점의 경우에는 양자구속효과를 통해 양자점의 크기를 조절하여 흡광 대역을 변화시킬 수 있다.

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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