양자점 물질(황화납)의 화학적 결합의 특성을 미세하게 조절해 이론적으로만 알려진 광전류값에 근접한 양자점 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라 향후 효율이 뛰어난 양자점 태양전지 개발에 기반을 마련했다.

▲ 광전류값에 근접한 양자점 태양전지 기술을 개발한 박남규 성균관대 교수(오른쪽)과 이진욱 석박통합과정 대학원생(제1저자).

양자점은 화학적 합성 공정으로 만든 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정체로 높은 흡광특성, 쉬운 밴드갭 엔지니어링 등의 특성으로 태양전지용 재료로 각광 받고 있다.

성균관대 박남규 교수와 이진욱 학생(제1저자)이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행되었고, 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘네이처’가 발행하는 ‘Scientific Reports’최신호(1월 10일자)에 게재됐다.

무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로 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 ㎠당 약 19mA(밀리암페어)로 이론값(38mA)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 관계가 있음을 알아냈다. 또한 소량의 수은(Hg)을 결정격자 안에 안정화시키면 화학적 결합과 결정성이 강화되고 광전특성도 우수해진다는 사실을 밝혀냈다.

박 교수팀은 수은으로 덮인(도핑된) PbS 양자점의 강화된 화학적 결합특성으로 유도된 우수한 광전특성을 이용해, 광전류밀도가 표준 태양광조건에서 이론값에 가까운 세계 최고 수준인 30mA의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발했다.

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(19mA)에 비해 약 1.6배 높다.

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