교육과학기술부와 한국연구재단은 박남규 성균관대 교수팀이 양자점 물질 '황화납'의 화학적 결합 특성을 미세조절해 광전류값에 근접한 양자점 태양전지 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

▲박남규 교수. ⓒ2013 HelloDD.com

양자점(Quantum Dot·반도체 나노결정)은 높은 흡광특성, 용이한 밴드갭 엔지니어링, 다중전자발생 특성으로 최근 차세대 태양전지용 재료로 주목받고 있다. 특히 광흡수 특성이 상대적으로 낮은 염료감응형 태양전지의 유기염료와 달리 양자점을 산화물 표면에 흡착시키는 양자점 감응 태양전지는 제조과정 역시 간편하고 비용이 저렴해 유망한 차세대 태양전지 기술의 하나로 관심을 끌어 왔다.

하지만 고효율의 양자점 태양전지를 개발을 위해서는 가시광선 전 영역과 근적외선 영역까지 흡수가 가능하고 또 다양한 양자점 물질(황화납, PbS)로 광전류밀도를 극대화해야 하는 필요가 제기돼 왔다. 이번 연구 이전까지 개발된 PbS 양자점 이용 태양전지 중에서 가장 높은 광전류값은 ㎡당 19밀리암페어로 이론상의 필요값인 38밀리암페어에 비해 매우 낮았다. 이론값의 1/2 수준밖에 미치지 못하는 원인도 밝혀진 바가 없었다.

박 교수팀은 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 사실도 밝혀냈다. 이를 통해 박 교수팀은 수은으로 덮인 PbS 양자점의 강화된 화학적 결합특성으로 유도된 우수한 광전특성을 이용해, 광전류밀도가 표준 태양광조건에서 이론값에 가까운 30밀리암페어(mA/cm2)의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발했다.

또한 이번에 개발된 고광전류 양자점 태양전지는 상온에서 20분 이내 간편하게 광전극을 만들 수 있기 때문에 기존 유기염료가 최대 하루 이상 소요되던 것에 비해 공정시간이 크게 짧아지고 광전류값 역시 기존보다 60%가 높다.

박남규 교수는 "이번 연구가 앞으로 초고효율 태양전지 개발에 중요한 과학적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다. 박 교수와 이진욱 학생(제1저자)이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 이번 연구는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행되었으며 사이언티픽리포트(Scientific Reports)에 10일자로 게재됐다.
 

▲양자점 감응 태양전지의 구조.  ⓒ2013 HelloDD.com

▲이산화티타늄 표면에 흡착된 수은 도핑량에 따른 황화납 양자점의 형상.   ⓒ2013 HelloDD.com