[그린포스트코리아 김동수 기자] 유기 고분자를 이용해 ‘양자점 태양전지’의 효율을 11.53%까지 높인 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

양자점 태양전지라 양자점을 광활성층(태양광을 받아 전자를 생산하는 물질)으로 이용하는 태양전지를 말한다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 장성연 교수팀은 유기 고분자를 소재로 적용해 양자점 태양전지의 성능을 극대화하는 ‘양자점-유기 고분자 접합 태양전지’를 개발했다. 무기물 반도체를 이용하는 양자점 태양전지의 일부 소재를 유기 고분자로 바꿔 정공 전달 능력을 높였다.

태양전지는 태양광을 흡수한 물질(광활성층)이 전자(electron)와 정공(hole)을 만드는 성질을 이용한다. 전자가 광활성층에서 빠져나오면 이 자리에 마치 구멍이 생기듯 정공이 생긴다. 

이때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동해 전력 생산으로 이어진다. 따라서 태양전지의 효율을 높이려면 전자-정공 쌍이 많아지고 이들이 전극으로 잘 운반돼야 한다. 
  
공동연구팀은 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 유기 고분자로 바꿨다. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어나고 전자와 정공이 다시 결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 잘 운반하는 장점이 있다.

보통 양자점 태양전지는 전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)과 정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)을 결합한다. 반면 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였다.

그 결과 만들어진 양자점 태양전지의 효율은 기존 p형 양자점 기반 소자(10.80%)보다 향상된 11.53%를 기록했다. 특히 새롭게 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조하는 게 가능하다.
 
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 설명했다.

이번 연구는 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 2월24일자 표지 논문(back cover)으로 선정됐다.

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