하이브리드 태양전지, '유기 고분자'로 약점 극복
하이브리드 태양전지, '유기 고분자'로 약점 극복
  • 강지희
  • 승인 2019.11.19 17:35
  • 조회수 740
  • 댓글 0
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더 간편하고 유용한 태양전지를 위해. 출처: AdobeStock
더 간편하고 유용한 태양전지를 위해. 출처: AdobeStock

KAIST EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀과 캐나다 토론토 대학교 전기 및 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수 공동 연구팀이 유기 단분자 물질 도입해 고효율, 고안정성의 유ㆍ무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했습니다.

 

연구팀이 개발한 유기 고분자-양자점 하이브리드 태양전지는 단순 성능 개선을 넘어 기존 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결할 수 있는 구체적인 방안까지 제시했습니다. 또한 차세대 에너지원으로써 하이브리드 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구 논문은 <Nature Energy>에 게재됐습니다.

 

하이브리드 태양전지, 발전이 필요해

 

하이브리드 태양전지는 유기 고분자와 콜로이달 양자점을 이용해 제작됩니다. 유기 고분자는 높은 기계적 특성과 흡광 계수를 갖습니다. 콜로이달 양자점은 근적외선 영역을 흡수할 수 있죠. 이 둘로 제작되는 하이브리드 태양전지는 용액공정으로 제작할 수 있습니다. 또한 두 물질의 장점을 모두 취할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받아왔습니다. 

 

하지만 유기 고분자-양자점 기반의 하이브리드 구조는 약점이 있습니다. 일단 광전변환 효율이 낮습니다. 또한 안정성 측면에서도 기존의 차세대 태양전지들과 경쟁하기에 부족하죠. 낮은 전하추출 능력과 그로 인해 발생하는 재결합 문제로 인해 하이브리드 태양전지는 최근까지도 10% 이하의 낮은 광전변환 효율에 머무릅니다. 이에 하이브리드 태양전지의 성능 개선이 필요한 실정입니다.

 

 새로운 유기 단분자 구조 도입으로 효율↑

새롭게 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리. 출처: KAIST
새롭게 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리. 출처: KAIST

연구팀은 문제 해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새 유기 단분자 구조를 도입했습니다. 이렇게 유기 단분자 매개체를 도입한 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존의 구조보다 다양한 강점을 갖습니다. 우선 기존의 유기 고분자에서 생성된 엑시톤을 원활하게 추출할 수 있습니다. 또한 상호 보완적인 흡광 대역이 형성돼 추가적인 전류 향상을 얻을 수 있죠. 뿐만 아니라 계단형 에너지 레벨을 형성해 에너지 및 전하를 효과적으로 운반할 수 있습니다.

구현한 태양전지 소자의 광전기적 특성 및 안정성 그래프. 출처: KAIST
구현한 태양전지 소자의 광전기적 특성 및 안정성 그래프. 출처: KAIST

이러한 강점을 통해 연구팀은 13.1%의 광전변환 효율을 달성했습니다. 이는 기존의 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 높은 효율입니다. 뿐만 아니라 연구팀의 하이브리드 구조는 제작 후 약 1천 500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했습니다. 또한 최대전력조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 유지했다고 합니다.

이정용 교수. 출처: KAIST
이정용 교수. 출처: KAIST

이번 연구를 주도한 이 교수는 "단분자를 도입해 기존의 하이브리드 구조의 고질적인 한계를 극복하고 고효율의 차세대 태양전지를 구현했다"며 "개발한 고효율 태양전지는 최근 주목받고 있는 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업에 적용 가능한 차세대 에너지 동력원으로써 주목받게 될 것"이라고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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