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 개발했습니다. 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 기대됩니다. 

최근 태양전지에 대한 관심이 높아지며 넓은 영역에서 뛰어난 빛 흡수 능력을 갖는 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발합니다. 특히 양자점은 차세대 태양전지의 핵심 소재로, 입자 크기에 따라 소재의 빛 흡수율과 발광 능력을 결정하는 ‘광학 밴드갭(Optical bandgap)’을 자유자재로 조절할 수 있습니다.

그 중에서도 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지 제작을 위해 고품질의 페로브스카이트 양자점 합성은 필수라 말할 수 있습니다. 이 때, 합성과정에서 사용된 잔여 전구체 및 리간드 등의 화학물질을 제거해 페로브스카이트 양자점만 선별하는 정제 과정이 필수이지만 정제에 사용되는 안티용매(Antisolvent)는 페로브스카이트 양자점의 용해와 응집을 발생시켜 페로브스카이트 양자점의 크기와 분포의 균일성을 저해하고, 나아가 태양전지의 성능을 저하시키는 한계를 지녀왔습니다.

(그림설명) 

(a) 극성 안티용매 메틸 아세테이트(Methyl acetate)를 이용한 CsPbI3 페로브스카이트 양자점 용액의 정제과정을 표현한 모식도.

(b) 합성 직후 및 각 정제과정을 거친 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 고배율 투과전자현미경 이미지 및 크기분포 히스토그램. 

(c) 합성 직후 및 각 정제과정을 거친 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 광적동산란 스펙트럼 및 다분산지수. 

(d) 합성 직후 및 각 정제과정을 거친 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 용액상 형광방출 스펙트럼 및 절대 형광방출 양자효율 수치. 각 CsPbI3 페로브스카이트 양자점 용액은 동일한 광학 밀도를 가짐.

이에 연구팀은 서로 크기가 다른 페로브스카이트 양자점들에 젤 투과 크로마토그래피(Gel-permeation chromatography) 방식을 적용, 균일한 크기의 입자만을 선별할 수 있는 기술을 개발했습니다. 또한 매우 균일한 입자 크기를 갖는 단분산 페로브스카이트 양자점이 매우 우수한 광학, 광물리적 및 광전 특성을 가지고 있단 사실도 규명했습니다. 

(그림설명)

(a) 겔 투과성 크로마토그래피를 공정을 통한 크기선택 과정의 모식도. 

(b) 크기선택 공정 이후 CsPbI3 페로브스카이트 양자점 용출액의 용출 순서에 따른 용액상 절대 형광방출 양자효율의 변화. 

(c) C1, C2, C3 용출액의 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 용액상 형광방출 스펙트럼 및 절대 형광방출 양자효율. 

(d) C1, (e) C2, (f) C3 용출액의 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 고배율 투과전자현미경 이미지 및 크기분포 히스토그램. 

(g) 각 용출액의 CsPbI3 페로브스카이트 양자점에 대한 광적동산란 스펙트럼 및 다분산지수.

(h) C2 영역의 단분산성이 높은 CsPbI3 페로브스카이트 양자점으로구성된 태양 전지 소자의 구조 및 단면 주사전자현미경 사진. 

(i) 종래기술 기반 대조군 (P2) 및 C2 영역의 CsPbI3 페로브스카이트 양자점으로 제작한 태양전지에서 최고 성능을 보인 소자의 전류밀도‒전압 측정 그래프. 

(j) P2 및 C2 기반의 CsPbI3 페로브스카이트 양자점 태양 전지의 외부양자효율 스펙트럼 및 통합 단락 전류 밀도.

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 성공했습니다.

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 밝혔습니다.

이번 연구는 POSTECH 화학공학과 박태호 교수 연구팀과 공동협력으로 진행됐으며, 에너지과학 분야 국제 학술지 ‘ACS Energy Letters’에 온라인판 커버 논문으로 6월 11일(금) 게재됐습니다.

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