카이스(KAIST) EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 산소와 수분에 저항성을 갖는 박막을 이용해 고성능, 고안정성의 양자점 태양전지 제작 기술을 개발했다고 대학 측이 8일 밝혔다.

콜로이달 양자점 태양전지는 가볍고 유연한 데다 근적외선 영역까지 흡수하는 특성이 있어 차세대 전자소자의 에너지 소재로 주목 받고 있다. 최근 변환 효율이 향상되면서 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 아직까지 효율과 안정성, 비용 측면에서 기존의 태양전지에 뒤졌다.

연구팀은 비정질의 단분자 박막이 산소 및 수분에 높은 저항성을 갖는 것에 주목하고 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 이용하므로 소자 종류와 상관없이 어떠한 박막소자에도 응용 가능하다. 또 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 박막이 갖는 산소 및 수분의 차단 특성을 극대화할 수 있다.

한 양자점 층에서 생성된 정공을 전극까지 효과적으로 전달할 수 있고 비싼 금 전극을 성능 감소 없이 저렴한 은 전극으로 대체할 수도 있어 소자의 생산비용을 크게 낮출 수 있다.

연구팀은 이 기술로 고성능 및 고안정성 양자점 태양전지를 제작하는데 성공했다. 이 양자점 태양전지는 기존의 금 전극을 사용해 제작한 고효율 양자점 태양전지와 비슷한 효율을 가지는 것으로 조사됐다.

연구팀은 단분자 박막을 이용한 양자점 태양전지를 제작해 약 11.7%의 최고효율을 달성했고, 산소 및 수분 저항성을 확보해 소자를 공기 중에서 보관할 경우 약 1년이 지나더라도 초기 효율의 90% 이상을 유지함을 확인했다.

이 교수는 이번에 개발된 기술에 대해 “양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점 발광소자, 유기 전자소자, 페로브스카이트 소자 등 다양한 분야에 적용이 가능하”며 “저렴한 가격에 고효율의 양자점 태양전지를 제작해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것”이라고 기대감을 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과를 담은 논문(논문명 : A hydro/oxo-phobic top hole-selective layer for efficient and stable colloidal quantum dot solar cells)은 국제학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스’ 5월 10일자 온라인판에 실렸다. 

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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