성능·안전성 향상 최초 규명 성과

디지스트 에너지융합연구부 김영훈 박사 연구팀이 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능과 안정성을 높인 기술을 개발했다.

이번 기술 개발로 건물일체형 태양광 발전과 다기능성 광전소자, 라이파이 등 광기술 개발과 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

최근 신재생에너지 기술을 비롯한 태양전지의 관심이 높아지면서 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다.

양자점은 빛 흡수 능력이 뛰어나고 넓은 영역의 빛을 흡수하는 차세대 태양전지의 핵심 소재로 꼽힌다.

양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지는 빛을 전기에너지로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 동시에 갖고 있어 다기능성 태양전지로 각광받고 있다.

우수한 페로브스카이트 양자점을 합성하기 위해 긴 탄화수소 체인을 가진 유기 리간드가 이용된다.

리간드는 10나노미터(nm) 정도의 작은 페로브스카이트 양자점들 표면에 흡착해 다양한 무극성 용매에 분산이 될 수 있게 한다.

이러한 양자점을 기판 위에 잘 배열, 양자점 태양전지가 만들어진다.

이때 양자점 표면에 흡착된 긴 체인의 리간드는 양자점 간의 전하이동을 어렵게 해 태양전지 성능을 저하시켜 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시키는 과정을 거쳐야 한다.

이에 따라 기존에는 ‘포르마미디늄(Formamidinium·FA)’이라는 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시켜 소자의 성능을 향상시켰다.

하지만 포르마미디늄 리간드의 특성상 물과 잘 결합하고 습기를 잘 흡수하는 친수성 때문에 공기 중 수분으로 인해 안정성이 현저히 감소하는 문제점들이 발생했다.

김영훈 박사 연구팀은 다양한 실험을 통해 벤젠 그룹 기반의 ‘페네실라모늄(Phenethylammonium·PEA)’ 리간드가 가진 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성에 주목했다.

또한 페로브스카이트 양자점 표면에 안정적으로 흡착시키는데 성과를 거뒀다.

연구팀은 광전변환효율을 14.1%까지 향상시켰고 15일 간 실제 외부환경과 같은 조건인 상대습도 20~25%에서 90%이상의 높은 광전변환효율을 유지하는 안정성도 추가로 확인했다.

김영훈 박사는 “짧은 탄화수소 체인을 가지면서 소수성을 갖는 리간드를 도입, 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능과 안정성을 향상시킬 수 있음을 최초로 규명했다”며 “차세대 양자점 태양전지 개발과 실용화를 위한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

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