▲ 손동익 KIST 박사와 단일층 양자점 태양전지 모식도와 단일층 확인 사진..

국내 연구진이 양자점 단일점을 효과적으로 도입해 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 전지를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀은 문병준 연구원과 함께 차세대 나노소재재료 중 하나인 양자점 단일층을 이용해 광전환 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 유기 태양전지를 개발했다고 23일 밝혔다.

일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수해 전자와 정공을 형성하는 광활성층은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ 의 혼합층(탄소복합구조)으로 이루어져 있다.

하지만, 유기태양전지의 특성상 광활성층의 두께는 제한적이고 광활성층에 사용된 유기물질의 종류(P3HT 혹은 PTB7 고분자 물질)에 따라 고유의 특성이 존재하므로 태양광의 전 파장 영역에서 100% 흡수할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

연구팀은 유기태양전지 표면 위에 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe)’를 수 ㎚(나노미터) 단일층 처리해 유무기 하이브리드 구조를 가진 태양전지를 제작했다.

이 연구에서 가시광선 영역 파장을 가지는 카드뮴셀레나이드(CdSe) 양자점 단일층 구조를 형성해 기존의 금속 산화물 나노입자가 했었던 전자수송층 역할은 물론이고, 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능 역할을 했다.

이로써 기존보다 20%이상 효율을 증가했고, 동시에 안정성도 개선시켰다.

태양광을 전기 에너지로 바꾸는 태양전지는 화석 에너지의 고갈과 청정 에너지원의 필요성이 부각 되면서 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료 가격으로 인해 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다.

이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴해 경제성이 높다. 그러나 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있었다.

이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈에 9월11일에 온라인판으로 게재됐다.

▲ 태양전지의 향상된 효율과 안정성.