‘두 마리 토끼’..양자점을 이용하여 20% 효율성 증대, 안정성을 개선
KIST 손동익 박사
[일요신문] 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 연구진이 양자점 단일점을 효과적으로 도입하여 유기태양전지의 안정성과 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 전지를 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 손동익 박사팀은 제1저자로 참여한 문병준 연구원과 함께 차세대 나노소재재료 중 하나인 양자점 단일층을 이용하여 광전환 효율을 증대시키면서 소자의 안정성을 강화한 유기 태양전지를 개발했다고 23일 밝혔다.
관련 연구는 연구의 참신성을 인정받아 에너지 재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재되었다.
유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다.
▲어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)의 2014년 9월 11일자 온라인판에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지, 붉은 색의 빛을 내는 카드뮴 셀레나이드(CdSe) 양자점(QD)이 표면 개질 고분자 (PEIE) 위에 단일층으로 형성되어 있음을 나타내는 이미지. 양자점은 태양광을 흡수하여 전자와 정공 형성에 도움을 주어 전지의 광전변환효율의 향상에 도움을 주는 전자수송층 역할을 물론이고, 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능한 역할과 소자의 안정성 향상 측면에도 도움을 준다.
연구팀은 유기태양전지의 표면 개질 고분자 층(PEIE) 표면 위에 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe)’를 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리한 유무기 하이브리드 구조를 가진 유기태양전지를 제작하였다.
기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속 산화물 나노입자는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다.
이 연구에서 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드(CdSe)양자점 단일층 구조를 형성하여 기존의 금속 산화물 나노입자가 했었던 전자수송층 역할은 물론이고 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능한 역할로 기존보다 20%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인했다.
KIST 손동익 박사는 “단일층 양자점을 이용하여 기존 전자수송층 뿐만 아니라 다양한 기능성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 용액 안정도가 커 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며 “후속으로 연구 중인 차세대 재료인 그래핀 양자점과의 복합구조를 가진다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.
정성환 기자 ilyo66@ilyo.co.kr