매우 균일한 입자 크기를 갖는 페로브스카이트 양자점을 활용해 양자점 태양전지의 성능을 개선하는 기술 개발
- DGIST 김영훈 박사·최종민 교수 연구팀, 페로브스카이트 양자점입자 크기 균일도 향상기술 개발
- 입자 크기와 태양전지 성능 간 관계 최초로 입증해... 15.3%까지 효율을 개선한 페로브스카이트 양자점 태양전지도 함께 제시
□ DGIST(총장 국양)는 에너지융합연구부 김영훈 박사와 에너지공학전공 최종민 교수 공동연구팀이 매우 균일한 입자 크기를 갖는 페로브스카이트 양자점을 획득해 양자점 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 원천 기술을 개발했다. 균일한 입자 크기를 갖는 페로브스카이트 양자점은 박막 및 소자 제작 과정 중에 열처리가 전혀 필요 없어, 향후 플렉시블-웨어러블 태양전지 소자 구현, 고색순도·고발광의 발광 다이오드 소자 분야 등 다양하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
□ 최근 태양전지에 대한 관심이 높아지며 넓은 영역에서 뛰어난 빛 흡수 능력을 갖는 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 특히 양자점은 차세대 태양전지의 핵심 소재로, 입자 크기에 따라 소재의 빛 흡수율과 발광 능력을 결정하는 ‘광학 밴드갭(Optical bandgap)’을 자유자재로 조절할 수 있다.
□ 그 중에서도 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지 제작을 위해 고품질의 페로브스카이트 양자점 합성은 필수적이다. 이 때, 합성과정에서 사용된 잔여 전구체 및 리간드 등의 화학물질을 제거해 페로브스카이트 양자점만 선별하는 정제 과정이 필수이지만 정제에 사용되는 안티용매(Antisolvent)1)는 페로브스카이트 양자점의 용해와 응집을 발생시켜 페로브스카이트 양자점의 크기와 분포의 균일성을 저해하고, 나아가 태양전지의 성능을 저하시키는 한계를 지녀왔다.
□ 이에 연구팀은 서로 크기가 다른 페로브스카이트 양자점들에 젤 투과 크로마토그래피(Gel-permeation chromatography) 방식을 적용, 균일한 크기의 입자만을 선별할 수 있는 기술을 개발했다. 또한 매우 균일한 입자 크기를 갖는 단분산 페로브스카이트 양자점이 매우 우수한 광학, 광물리적 및 광전 특성을 가지고 있단 사실도 규명했다.
□ 추가적으로, 연구팀은 페로브스카이트 양자점의 입자의 균일한 크기와 태양전지 성능간의 관계에 대해서도 연구를 진행, 페로브스카이트 양자점의 균일한 입자가 태양전지 성능에 긍정적인 영향을 미친다는 사실을 최초로 입증해냈으며, 1.27V의 개방전압 및 15.3%의 광전변환효율을 갖는 고성능의 페로브스카이트 양자점 태양전지도 추가적으로 개발하는 성공했다.
□ DGIST 에너지융합연구부 김영훈 박사는 “양자점은 그 입자의 크기에 따라 광학 성질이 달라지는 특징을 가지고 있어, 다양한 크기의 양자점이 혼합되면 양자점 본연의 광학·광물리적 특성이 약화될 수 있다”며 “이번 연구는 이처럼 페로브스카이트 양자점의 특성이 약화될 수 있는 근본적인 원인을 해결한 연구로, 향후 태양광 발전을 비롯한 발광 다이오드, 무전력 디스플레이 등 그 활용도가 매우 높을것으로 기대된다”고 밝혔다.
□ 한편, 이번 연구는 POSTECH 화학공학과 박태호 교수 연구팀과 공동협력으로 진행됐으며, 에너지과학 분야 국제 학술지 ‘ACS Energy Letters’에 온라인판 커버 논문으로 6월 11일(금) 게재됐다.
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1) 안티용매(Antisolvent, 안티솔벤트): 용해된 용질을 석출시키는 물질. 즉 대상으로 하는 용제에 대하여 용해 파라미터가 크게 다른 용제.