장성연 UNIST 교수, P형 양자점→유기 고분자로 전환
전자·정공 재결합 막아 양극 운반 가능···효율성 11.53% 달성

개발된 양자점 태양전지 구조와 고분자 모형. <사진=UNIST 제공>
개발된 양자점 태양전지 구조와 고분자 모형. <사진=UNIST 제공>
초미세 반도체 나노 입자(양자점)를 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 '양자점 태양전지'의 효율을 11.53%로 높인 기술이 개발됐다. 

UNIST(총장 이용훈)는 장성연 에너지 및 화학공학부의 교수팀이 유기 고분자로 양자점 태양전지 성능을 극대화하는 '양자점-유기 고분자 접합 태양전지'를 개발했다고 23일 밝혔다. 무기물 반도체를 이용하는 양자점 태양전지의 일부 소재를 유기 고분자로 바꿔 정공 전달 능력을 높였다. 

태양전지는 태양광을 흡수한 물질이 전자과 정공을 만드는 성질을 이용한다. 전자가 광활성층에서 빠져나오면 전자가 빠진 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공(hole)이 생긴다. 이때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극·양극으로 이동해 전력 생산으로 이어지기에 태양전지 효율을 높이려면 전자-정공 쌍이 많아지고 이들이 전극으로 잘 운반돼야 한다. 
  
공동연구팀은 정공을 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 유기 고분자로 바꿨다. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어날뿐더러 전자과 정공이 재결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 운반할 수 있다.

보통 양자점 태양전지는 '전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)'과 '정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)'을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였다. 고분자를 이루는 단량체(nomoner)의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성 후 이를 n형 양자점에 접합해 태양전지를 구성했다.

그 결과 만들어진 양자점 태양전지의 효율은 기존 p형 양자점 기반 소자(10.80%)보다 향상된 11.53%를 기록했다. 새롭게 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어, 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조 가능하다.
 
장성연 교수는 "그동안 양자점 태양전지의 전류 생성에 큰 걸림돌이었던 정공 운반 문제를 해결한 연구"라며 "고분자 소재를 더 연구해 구조를 최적화하면 더 우수한 특성을 가진 정공 수송 소재, 즉 p형 유기 고분자를 개발할 수 있을 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 2월 24일 자 표지 논문으로 선정됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF)과 한국에너지기술평가원 지원으로 이뤄졌다. 

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