UNIST, '유기 고분자' 적용한 태양전지로 효율 높여

등록 2020.04.23 12:00:00

유기 고분자로 '정공' 추출 능력↑...효율 11.53% 기록

에너지 분야 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스' 표지 선정

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 장성연 교수.

[울산=뉴시스]박수지 기자 = 양자점(quantum dot) 태양전지의 효율을 높이는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 장성연 교수팀이 '유기 고분자'를 소재로 적용해 양자점 태양전지의 성능을 극대화하는 '양자점-유기 고분자 접합 태양전지'를 개발했다고 23일 밝혔다.

양자점이란 입자의 크기가 수 nm 수준으로 작아지게 되면 이들 입자의 전기적,광학적 성질이 크게 변화하게 되는데 이러한 초미세 반도체 나노입자를 양자점(quantum dot, QD) 또는 퀀텀닷이라고 한다.

태양전지는 광활성층(태양광을 흡수한 물질)이 전자(electron)와 정공(hole)을 만드는 성질을 이용해 전력을 생산한다.

전자가 광활성층에서 빠져나오면, 그 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공이 생긴다. 이때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동해 전력이 생산된다.

따라서 태양전지의 효율을 높이려면 전자-정공 쌍이 많아지고, 이들이 전극으로 잘 운반돼야 한다.

연구팀은 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 '유기 고분자'로 바꿨다.

새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어나며, 전자와 정공이 다시 결합하는 것도 막을 수 있다.

또한 정공이 양극으로 잘 운반되기 때문에 태양전지 효율이 높아진다.

개발된 양자점 태양전지의 구조 및 고분자 모형.

보통 양자점 태양전지는 '전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)'과 '정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)'을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였다.

고분자를 이루는 단량체(nomoner)의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성하고, 이를 n형 양자점에 접합해 태양전지를 구성했다.

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 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 2월 24일자 표지 논문(back cover)으로 선정됐다.