UNIST, 양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지 개발

본 연구에서 개발된 양자점·유기 하이브리드 탠덤 태양전지(자료제공: UNIST)

울산과학기술원(UNIST·총장 이용훈)은 장성연 에너지 및 화학공학부 교수팀이 무기나노소재 양자점(Quantum Dot)과 유기 고분자 소재를 접합한 ´양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지´를 개발했다고 1월 30일 밝혔다.
양자점 태양전지는 상용 실리콘 전지보다 유연하고 가볍고 제조공정도 간단하다. 장 교수팀이 개발한 양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지는 기존 양자점 태양전지에 다른 유기물을 더해 성능을 극대화했다. 유기 고분자 소재는 양자점이 잘 흡수하지 못하는 태양광 영역을 대신 흡수해 전체 태양광 흡수를 극대화하고 전지의 효율도 높여준다.
양자점은 미세 입자로 된 반도체 물질로 다른 광활성 물질이 잘 흡수하지 못하는 적외선 영역까지 흡수한다. 특이한 성능 덕분에 태양전지 소재로 부각되고 있지만 근적외선 영역 가운데 일부는 흡수가 잘 일어나지 않는다.
장 교수팀은 근적외선 영역에서 광 흡수성이 좋은 유기 고분자 소재를 더하고, 여기에 양자점을 광활성층으로 사용하는 단위 전지(sub-cell)와 유기 고분자 소재 단위 전지를 상하로 직렬 연결(탠덤 구조)해 이 문제를 해결했다. 양자점이 흡수하지 못하는 근적외선을 유기 고분자 소재가 흡수하는 구조다.
전압 손실을 최소화할 수 있는 중간층을 개발하고, 이를 전지에 적용해 광전변환효율을 최적화했다. 중간층을 이용해 두 단위 전지를 직렬로 연결하자 각각의 물질을 광활성층으로 사용한 태양전지보다 15% 향상된 12.82%의 광전변환효율을 얻었다.
장성연 교수는 “유·무기 소재를 하나의 태양전지 소자로 이용해 소재 특성을 최대한 살렸다”면서 “기존 양자점 태양전지로는 흡수가 어려웠던 특정 근적외선 영역을 흡수할 수 있는 기술이라는 점에서 의미가 크다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원으로 이뤄졌다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.