▲ 고효율 양자점 태양전지 기술을 개발한 박남규 교수(右)와 이진욱 석박통합과정 대학원생(제1저자).

국내 연구진이 나노크기의 황화납의 특성을 조절해 양자점 태양전지의 효율을 이론상 가능한 수치까지 끌어올렸다.

교육과학기술부는 박남규 성균관대 교수와 이진욱 학생(제1저자)이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 연구를 통해 고효율 양자점 태양전지 개발에 성공했다고 밝혔다.

이번 연구는 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘네이처’가 발행하는 ‘Scientific Reports’ 1월10일자에 게재됐다.

양자점이란 화학적 합성 공정으로 만든 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정체로, 태양전지용 신소재로 각광받고 있다. 이를 이용한 양자점 감응 태양전지는 유기염료(색소) 대신 나노크기의 반도체인 양자점을 산화물 표면에 흡착한 것으로 차세대 유망 태양전지로부상하고 있다.

이번에 박남규 교수 연구팀은 양자점 물질(황화납:PbS)의 전류밀도가 낮은 원인이 양자점을 구성하는 원소간의 화학적 결합특성과 관계가 있음을 알아냈다. 또한 소량의 수은(Hg)을 결정격자 안에 안정화시키면 화학적 결합과 결정성이 강화되고 광전특성도 우수해진다는 사실을 밝혀냈다.

이에 화학적 결합의 특성을 미세하게 조절해 세계 최고 수준인 30밀리암페어(mA/cm²)의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발한 것이다. 기존의 광전류값(19밀리암페어)에 비해 약 1.6배 높은 수치다.

또한 이번에 개발된 고광전류 양자점 태양전지는 납(Pb) 및 수은 양이온과 황(S) 음이온을 연속적으로 나노크기의 이산화티타늄(TiO₂) 입자 표면에 흡착 반응하여 상온에서 20분 이내 간편하게 광전극을 만들 수 있다. 기존 유기염료 제작에는 최대 하루 이상 소요됐다.

박남규 교수는 “양자점 태양전지에서 광흡수 양자점 물질의 화학적 결합특성을 파악하고 화학결합을 미세하게 조절하면 이론값에 가까운 광전류를 실현할 수 있다”며 “앞으로 초고효율 태양전지 개발에도 중요한 과학적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.