요약
전기를 '쏙쏙' 뽑는 고분자를 이용해 태양전지의 효율을 높이는 기술이 등장했습니다. 전자가 광활성층에서 빠져나오면 전자가 빠진 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공이 생기는데요. 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 '유기 고분자'로 바꿨습니다. 그동안 양자점 태양전지의 전류 생성에 큰 걸림돌이었던 정공 운반 문제를 해결한 연구로 평가받고 있습니다.
양자점(Quantum dot)을 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 '양자점 태양전지'의 효율을 11.53%로 높인 기술이 나왔습니다. 태양광을 받아 생성되는 '정공(hole)'의 추출 성능을 개선해 기존 태양전지의 전류 생성 문제를 해결한 연구로 평가받고 있습니다. 해당 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
- 양자점(Quantum dot) 태양전지
양자점을 광활성층(태양광을 받아 전자를 생산하는 물질)으로 이용하는 태양전지를 말합니다. 양자점은 아주 작은 무기물 반도체 입자입니다. 흡수할 수 있는 파장대를 조절할 수 있고, 가볍고 제조공정이 간단합니다.
유기 고분자로 소재 바꿔 정공 전달 능력 높여
UNIST 에너지 및 화학공학부의 장성연 교수팀은 '유기 고분자'를 소재로 적용해 양자점 태양전지의 성능을 극대화하는 '양자점-유기 고분자 접합 태양전지'를 개발했습니다. 무기물 반도체를 이용하는 양자점 태양전지의 일부 소재를 '유기 고분자'로 바꿔 '정공' 전달 능력을 높였습니다.
태양전지는 태양광을 흡수한 물질(광활성층)이 전자(electron)과 정공(hole)을 만드는 성질을 이용합니다. 전자가 광활성층에서 빠져나오면, 전자가 빠진 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공이 생기는데요. 이 때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동하여 전력 생산으로 이어지는 겁니다. 따라서 태양전지의 효율을 높이려면 전자-정공 쌍이 많아지고, 이들이 전극으로 잘 운반돼야 합니다.
공동 연구팀은 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 '유기 고분자'로 바꿨습니다. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어날뿐더러 전자과 정공이 다시 결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 잘 운반하기 때문입니다.
태양전지 효율도 향상돼
보통 양자점 태양전지는 '전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)'과 '정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)'을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였습니다. 고분자를 이루는 단량체(nomoner)의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성하고, 이를 n형 양자점에 접합해 태양전지를 구성했습니다. 참고로 단량체는 고분자의 기본 단위 구조 분자를 말합니다. 고분자는 단량체가 여러 개가 ‘중합’반응을 일으켜 생성되는 물질입니다.
그 결과 만들어진 양자점 태양전지의 효율은 기존 p형 양자점 기반 소자(10.80%)보다 향상된 11.53%를 기록했습니다. 특히 새롭게 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어, 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조하는 게 가능하다. 용액공정은 필름을 입힐 때 소재를 용매에 분산시켜 코팅하는 공정으로 인쇄기법이 가능해 대면적 소자 제작이 쉽다는 특징이 갖습니다.
장성연 교수는 "그동안 양자점 태양전지의 전류 생성에 큰 걸림돌이었던 정공 운반 문제를 해결한 연구"라며 "고분자 소재를 더 연구해 구조를 최적화하면 더 우수한 특성을 가진 정공 수송 소재, 즉 p형 유기 고분자를 개발할 수 있을 것"이라고 설명했습니다.
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