Research
양자점 표면 안정화 전략을 통해 차세대 태양전지의 효율과 안정성 모두 잡다!
- 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율 및 안정성을 향상시킬 수 있는 안정적인 양자점 박막 개발
- 무극성 용매와 공유결합성 리간드를 활용하는 새로운 양자점 표면 안정화 전략 방법 제시
DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 페로브스카이트 양자점의 표면 결함을 효과적으로 감소시켜 안정성과 효율성을 극대화한 새로운 표면 안정화 전략을 제시했다고 12일(화) 밝혔다.
페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성을 갖고 있을 뿐만 아니라 용액을 이용한 간편한 제조 과정으로 대량 생산이 가능한 장점이 있다. 이 때문에 차세대 광전자 소자에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 페로브스카이트 양자점을 광전소자에 적용하기 위해서는 양자점 사이의 거리를 줄여 전도성을 향상시켜주는 ‘리간드 교환 과정’이 필수이다.
기존의 리간드 교환 과정은 페로브스카이트 양자점 박막을 극성 용매에 녹인 이온성 리간드로 처리하는 방식이었다. 그러나, 이 과정에서 극성 용매가 양자점 표면을 손상시키고, 이온성 리간드와 양자점 사이에 약한 결합이 발생해 양자점 표면에 결함이 많이 생성된다. 이를 해결하기 위해 리간드 교환 과정 중에 결함 자리를 줄일 수 있는 다양한 리간드들이 도입되어 왔지만 모두 극성 용매에 분산되는 이온성 리간드의 활용이라는 큰 틀을 벗어나지 못했다.
이에 DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 무극성 용매를 사용해 양자점 표면을 보호하고, 공유결합성 리간드를 도입해 양자점 표면의 결함을 크게 감소시키는 새로운 접근 방식을 개발했다. 이렇게 함으로써 고효율과 장기 안정성을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지를 개발할 수 있게 되었다.
DGIST 에너지공학과 최종민 교수는 “무극성 용매는 이전의 극성 용매와 다르게 양자점 표면을 더 잘 보호해 결함이 덜 생기도록 해주었고, 공유결합성 리간드는 양자점 표면의 결함을 줄이는 데 크게 기여했다”라며 “앞으로 좀 더 양자점 표면 제어 연구에 집중하여 관련 재료의 상용화에 기여하고 싶다.”라고 말했다.
한편, 본 연구는 국민대학교 김영훈 교수팀과의 공동 연구 결과이며 DGIST 한상훈, 서가영 석박사통합과정생의 주도로 진행되었다. 또한, 본 연구는 한국연구재단과 DGIST R&D Program의 과제 지원을 받아 수행되었으며 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Science’에 2023년 8월 16일 게재되었다.
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연구결과개요
Stabilized Perovskite Quantum Dot Solids via Nonpolar Solvent Dispersible Covalent Ligands
(한상훈, 서가영, 용태영, 최성민, 김영훈*, 최종민*)
(Advanced Science, 2023, 10, 2301793, on-line published on 08.16, 2023)
페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성과 더불어 상온 박막 형성이 가능하여 대량 생산이 용이하기 때문에 차세대 광전소자에 도입하기 위한 연구가 지속되고 있다. 페로브스카이트 양자점을 광전소자에 적용하기 위해서는 양자점 표면과 결합되어 있는 긴 사슬의 이온성 유기 리간드를 리간드 교환 과정을 통해 짧은 사슬의 리간드로 치환하여 전도성을 부여해야 한다.
리간드 교환 과정은 극성 용매에 짧은 사슬의 이온성 리간드를 녹인 용액에 페로브스카이트 양자점 박막을 담지 함으로써 이루어진다. 극성 용매는 양자점 표면의 긴 사슬의 리간드를 탈착시킴과 동시에 짧은 사슬의 리간드를 양자점 표면으로 공급하는 역할을 한다. 하지만, 페로브스카이트 양자점 표면은 이온 결합 특성으로 인해 불안정하여 극성 용매에 취약하며, 이온성 리간드와 양자점 표면 사이의 결합도 약하기 때문에 표면에 많은 결함 자리(defect sites)가 생성되어 페로브스카이트 양자점 기반 광전 소자의 효율 및 안정성 향상에 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 리간드 교환 과정 중에 다양한 기능성 리간드들이 도입되어 왔으나 모두 극성 용매에 분산된 이온성 리간드 용액을 활용하는 큰 틀은 벗어나지 못하였다.
이에 본 연구에서는 리간드 교환이 끝난 페로브스카이트 양자점 박막에 추가적으로 무극성 용매에 분산된 공유결합성 리간드 용액을 처리하는 표면 안정화 전략을 개발하였다. 무극성 용매는 용매로 인한 추가적인 결함 자리 생성을 방지하여 양자점의 표면 상태를 보존해주었으며, 공유결합성 리간드는 배위결합을 통해 양자점 표면의 결함 자리와 강하게 결합하여 표면 결함 자리를 효과적으로 제거할 수 있었다. 이로 인해 표면 안정화 처리 후 페로브스카이트 양자점 박막의 광전기적 특성 및 박막 안정성을 더욱 향상시킬 수 있었으며 최종적으로 고효율 및 장기 안정성을 갖는 양자점 태양전지를 제작할 수 있었다.
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연구결과문답
Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
기존 연구들에서 고품질의 페로브스카이트 양자점 박막을 형성하기 위해 다양한 기능성의 짧은 사슬 리간드를 리간드 교환 과정 중에 도입하여왔지만 결국에는 극성 용매 및 이온성 리간드를 활용한다는 방법론적 한계가 있어왔다. 따라서 본 연구에서는 이러한 방법론적 한계를 뛰어넘어 필수적인 리간드 교환은 유지하되, 무극성 용매와 공유 결합성 리간드를 활용하는 추가적인 표면 안정화 전략을 개발하여 페로브스카이트 양자점 기반 광전소자의 효율 및 안정성의 향상을 이끌어냈다.
Q. 어디에 쓸 수 있나?
양자점 기반의 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
양자점 표면과 리간드 사이의 결합 또는 양자점 표면 결함 자리의 감소 등을 기술 및 장비의 한계 상 아직까지는 간접적인 실험 증거로 밖에 확인 할 수 없다. 따라서 보다 정밀한 양자점 표면 제어를 위해서는 정말 양자점 표면에 리간드가 잘 붙었는지 육안으로 확인할 수 있는 기술 및 장비가 개발되어야 한다고 생각한다.
Q. 연구를 시작한 계기는?
이전까지는 기존 연구들과 마찬가지로 리간드를 모두 극성 용매에만 분산을 하여 사용하고 있었는데, 우연히 triphenylphosphine oxide 라는 리간드가 무극성 용매에 분산 된다는 사실을 발견하여 본 연구를 시작하게 되었다.
Q. 어떤 의미가 있는가?
기존의 방법에 국한되지 않고 무극성 용매 및 공유결합성 리간드를 사용하는 표면 안정화 전략을 제시함으로써 페로브스카이트 양자점 광전소자 응용을 위한 용매와 리간드 선별에 있어서 보다 선택의 폭을 넓힐 수 있는 기회를 제공하였다. 또한, 리간드 교환 과정 중에는 각 소자 응용에 따라 적절한 작용기와 사슬길이를 갖는 리간드를 차별적으로 도입해야 하지만, 본 연구에서 제시하는 표면 안정화 전략은 리간드 교환이 모두 끝난 후에 시행하는 것이므로 소자 종류에 상관없이 모든 양자점 기반의 광전소자에 도입할 수 있는 보편적인 방법이 될 것이라 생각한다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
양자점은 표면에서 굉장히 많은 일이 발생한다. 따라서 양자점 기반의 광전소자가 상용화되기 위해서는 표면 제어가 매우 중요하다. 앞으로 좀 더 양자점 표면 제어 연구에 집중하여 관련 재료의 상용화에 기여하고 싶다.
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그림설명
[그림 1] 표면 안정화 전략 모식도와 표면 안정화 전략을 통해 안정화된 페로브스카이트 양자점 박막 및 최종적으로 증가한 태양전지의 효율
표면 안정화 전략 모식도와 표면 안정화 전략을 통해 안정화된 페로브스카이트 양자점 박막 및 최종적으로 증가한 태양전지의 효율
