DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 에너지공학과 최종민 교수팀, 페로브스카이트 양자점 태양전지의 광 흡수 능력과 광전류를 향상시킬 수 있는 나노구조체 전극 개발

- 태양전지를 비롯한 유기 전하 전달층을 이용하는 다양한 광전소자에 적용할 수 있는 보편적이고 손쉬운 방법 제시

[(왼쪽부터) DGIST 에너지공학과 한상훈 석박사통합과정생,최종민 교수,국민대학교 교수 김영훈]

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 양자점 태양전지 후면에 나노구조체 전극을 도입해 태양전지의 빛 흡수 능력과 광전류 생성을 향상시켰다고 11일(수) 밝혔다. 뿐만 아니라, 나노구조체의 형태와 태양전지의 효율의 상관관계 및 유기물에 나노 패턴 형성을 위한 최적화된 조건을 체계적으로 규명했다. 유기물을 이용하는 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

 최근 신재생에너지 중 하나인 태양전지에 대한 관심이 높아지면서 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 특히, 양자점 태양전지 분야 중에서도 페로브스카이트 양자점 태양전지는 최근 빠르게 에너지 발전 효율이 높아지고 있어 차세대 태양전지로써 각광을 받고 있다.

 태양전지의 효율은 크게 빛 흡수 능력과 빛에 의해 생성된 전하를 전극으로 수송하는 능력에 의해 결정된다. 페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성에도 불구하고 태양전지 제작 시에 광흡수층을 두껍게 형성하지 못하여 빛 흡수가 불충분하기 때문에 광전류 생성이 부족하다는 한계가 있다.

 이에 DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 후면 전극을 나노구조체로 형성해 전하의 추출량을 최적화시키는 두께는 유지하되, 빛 흡수 및 광전류를 향상 시키는데 성공했다. 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 정공 전달층에 나노임프린트 리소그래피 방법을 통해 나노 패턴을 형성하고 그 위에 전극 물질을 정공 전달층 나노 패턴의 굴곡을 따라 균일하게 증착함으로써 성공적으로 후면 나노구조 전극을 구현했다.  

 또한, 연구팀은 다양한 높이와 주기를 갖는 나노구조 후면 전극을 형성해 나노구조의 형태와 빛의 흡수 능력 그리고 나노구조로 인한 태양전지의 전기적 손실과의 관계를 규명하여 광학적 그리고 전기적으로 효과적인 나노구조 후면 전극을 설계함으로써 광학적으로 태양전지의 빛 흡수 능력을 향상시켰으며 전기적 손실 없이 태양전지의 효율을 극대화할 수 있었다.

 뿐만 아니라, 태양전지를 비롯한 광전 소자의 전하 전달 물질로 많이 이용되고 있는 유기물의 유리 전이 온도와 유연성 사이의 관계로부터 나노임프린트 리소그래피를 위한 최적의 조건을 밝혔다. 향후 유기물을 전하 전달층으로 이용하는 다양한 광전 소자의 나노 패턴 형성 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

 한편, 이번 연구는 국민대학교 김영훈 교수팀, 고려대학교 백세웅 교수팀과의 공동 연구 결과이며 DGIST 한상훈 석박사통합과정생의 주도로 진행됐다. 또한, 본 연구는 한국연구재단과 DGIST R&D Program 및 한국연구재단 신진연구 과제 지원을 받아 수행되었으며 결과는 재료과학 분야 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 2022년 3월 17일에 온라인 게재됐다.

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연구결과개요

A small-molecule-templated nanostructure back electrode for enhanced light absorption and photocurrent in perovskite quantum dot photovoltaics

(한상훈, 김지건, 김동언, 고민재, 최종민*, 백세웅*, 김영훈*)

(Journal of Materials Chemistry A, 2022, 10, 8966-8974, on-line published on 03.17, 2022)

페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전특성으로 인해 차세대 용액공정 태양전지의 광 흡수 물질로 각광을 받고 있다. 하지만 페로브스카이트 양자점 광 흡수층 내에서의 짧은 전하 확산 거리로 인해 빛의 흡수를 늘리고자 광 흡수층을 두껍게 형성하면 광 흡수층 내부에서 생성된 전하가 전극으로 추출되기 전에 재결합 되어 버리고 전하 추출에 최적화된 두께의 광 흡수층은 빛 흡수를 충분히 하지 못한다는 한계가 있었다.

이에 본 연구에서는 전하 추출에 최적화된 페로브스카이트 양자점 광 흡수층의 두께는 유지하면서 나노구조체 후면 전극을 도입함으로써 광 흡수층으로의 빛 흡수와 광전류를 향상시키는데 성공하였다. 나노구조 후면 전극을 형성하기 위해서 전극 바로 아래 구성 층인 유기 단분자 spiro-OMeTAD 정공 전달층에 나노임프린트 리소그래피 방식을 통해 나노 패턴을 형성하고 전극 물질을 나노 패턴의 굴곡을 따라 균일하게 증착함으로써 나노구조 후면 전극을 구현할 수 있었다. 이렇게 형성된 나노구조 후면 전극과 페로브스카이트 양자점 광 흡수층 계면 사이에 태양전지로 입사된 빛이 구속되어 전자기장의 집중이 발생하고 이로 인해 광 흡수층으로의 빛 흡수가 증가하여 더 많은 광전류 생성 및 페로브스카이트 양자점 태양전지의 광전변환효율을 증가시킬 수 있었다.

또한, 본 연구에서는 나노구조 후면 전극을 형성하는 과정에서 나노구조의 형태에 따른 태양전지의 광학적, 전기적 특성을 규명하였으며 유기물의 유리전이온도와 유연성의 관계로부터 유기물의 나노 패턴 형성을 위한 최적의 조건을 밝혀냈다. 이를 통해 향후 유기물을 전하 전달층으로 사용하는 다양한 광전소자 내부에 나노구조체를 형성하는 연구에 기여를 할 수 있을 것이라 기대된다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

유기물에 나노임프린트 리소그래피를 통해 나노 패턴을 형성하고 이를 템플릿으로 이용하여 나노구조체 전극을 구현하여 태양전지의 효율을 향상시키려는 연구는 이전부터 진행되어 왔다. 하지만 태양전지의 광학적, 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 나노구조의 조건은 모호한 채로 남아있었다. 본 연구에서는 템플릿으로 이용할 수 있는 다양한 유기물의 특성 비교를 통해 나노임프린트 리소그래피의 최적화된 조건을 도출하고 나노구조 형태에 따른 태양전지의 광학적, 전기적 효율의 상관관계를 밝힘으로써 소자 효율 향상을 위한 나노구조 도입에 좀 더 보편적인 통찰력을 줄 수 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

태양전지, 발광 다이오드를 비롯한 유기물을 이용하는 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

본 연구에서 나노구조를 형성하기 위해 채택한 나노임프린트 리소그래피는 간단하고 대면적에 적용이 가능하다는 장점이 있지만 연구자의 손으로 하는 것이기 때문에 재현성이 좋지 않다는 점이 있다. 따라서 보다 나은 재현성을 위해 일정한 압력과 각도로 나노임프린트 리소그래피를 시행할 수 있는 방법에 대한 연구가 후속으로 진행되어야 한다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 빛 흡수 능력과 흡수된 빛에 의해 생성된 전하를 전극으로 수송하는 있는 능력이다. 페로브스카이트 양자점 태양전지는 아직 초기 연구단계이기 때문에 연구가 주로 후자에 치우쳐져 있었다. 하지만 결국 빛을 많이 흡수할수록 전하의 생성이 많아지기 때문에 어떻게 하면 태양전지가 보다 많은 빛을 흡수할 수 있을지를 생각하다가 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존의 태양전지에 나노구조를 도입하는 연구는 나노구조 도입을 통한 효율 향상에만 초점을 맞췄다. 본 연구에서는 페로브스카이트 양자점 태양전지에 나노구조를 도입하여 소자 효율을 향상시켰을 뿐만 아니라 나노구조의 형태와 태양전지의 효율 사이의 상관관계 그리고 유기물의 고유 특성으로부터 나노 패턴 형성을 위한 최적화된 조건을 도출함으로써 다양한 광전 소자에 보편적으로 적용할 수 있는 체계를 제공했다는 점에 큰 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

페로브스카이트-양자점 기반의 광전 소자 개발 연구를 지속하여 상용화에 기여하고자 한다.

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그림설명

[그림 1] 나노임프린트 리소그래피를 이용하여 나노구조 후면 전극을 형성하는 공정을 나타내는 모식도

나노임프린트 리소그래피를 이용하여 나노구조 후면 전극을 형성하는 공정을 나타내는 모식도