나노크기의 황화납으로 양자점 태양전지의 효율을 1.6배 끌어올리다

기사 메일전송

조재성
등록 2013-01-17 10:41:00

목록으로

□ 양자점* 물질(황화납)의 화학적 결합의 특성을 미세하게 조절하여 이론적으로만 알려진 광전류값에 근접한 양자점 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 효율이 뛰어난 양자점 태양전지 개발에 기반을 마련하였다.

*) 양자점 : 화학적 합성 공정으로 만든 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정체로, 높은 흡광특성, 쉬운 밴드갭 엔지니어링 등의 특성으로 태양전지용 재료로 각광 받고 있음

○ 성균관대 박남규 교수(53세)와 이진욱 학생(제1저자)이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행되었고, 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘네이처’가 발행하는 ‘Scientific Reports’최신호(1월 10일자)에 게재되었다.

(논문명: Quantum-Dot-Sensitized Solar Cell with Unprecedently High Photocurrent)

□ 무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로서, 최근 전 세계적으로 저렴하면서도 효율이 높은 차세대 태양전지를 개발하고자 노력하고 있다.

○ 차세대 태양전지 중에서 유기염료(색소) 대신 나노크기의 반도체인 양자점을 산화물 표면에 흡착한 양자점 감응 태양전지는 제조과정이 간편하고 저렴하여 미래 유망 태양전지 기술로 각광 받고 있다.

○ 효율이 높은 양자점 태양전지를 개발하려면, 가시광선 전 영역과 근적외선 영역까지 흡수할 수 있고(판크로마틱 광흡수) 다양한 양자점 크기 효과를 얻을 수 있는 양자점 물질(황화납, PbS)로 광전류밀도를 극대화해야 한다. 그러나 지금까지 개발된 PbS 양자점을 이용한 태양전지 중에서 가장 높은 광전류값은 제곱 센티미터당 약 19밀리암페어로, 이론값(38밀리암페어)에 비해 매우 낮았다. 그러나 이론값에 비해 왜 1/2 수준밖에 미치지 못하는지에 대한 원인은 정확히 밝혀지지 못했다.

□ 박남규 교수 연구팀은 PbS 양자점의 전류밀도가 낮은 원인이 양자점을 구성하는 원소간의 화학적 결합특성과 관계*가 있음을 알아냈다. 또한 소량의 수은(Hg)을 결정격자 안에 안정화시키면 화학적 결합과 결정성이 강화되고 광전특성도 우수해진다는 사실을 밝혀냈다.

*) 공유결합세기가 강할수록, 원소간 규칙적으로 배열될수록 광전자 발생 효율이 증가한다는 관계

○ 박 교수팀은 수은으로 덮인(도핑된) PbS 양자점의 강화된 화학적 결합특성으로 유도된 우수한 광전특성을 이용해, 광전류밀도가 표준 태양광조건*에서 이론값에 가까운 세계 최고 수준인 30밀리암페어(mA/cm2)의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발하였다.

*) 표준 태양광조건: 태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1cm2당 100mW 조건(1태양조건)

○ 또한 이번에 개발된 고광전류 양자점 태양전지는 납(Pb) 및 수은 양이온과 황(S) 음이온을 연속적으로 나노크기의 이산화티타늄(TiO2) 입자 표면에 흡착 반응하여 상온에서 20분 이내 간편하게 광전극을 만들 수 있기 때문에 공정시간이 짧아지고(기존 유기염료는 최대 하루 이상 소요), 기존의 광전류값(19밀리암페어)에 비해 약 1.6배 높다.

□ 박남규 교수는 “양자점 태양전지에서 광흡수 양자점 물질의 화학적 결합특성을 파악하고 화학결합을 미세하게 조절하면 이론값에 가까운 광전류를 실현할 수 있고, 앞으로 초고효율 태양전지 개발에도 중요한 과학적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

TAG