울산과학기술원(UNIST) 연구진이 양자점 태양전지에 유기물을 더해 성능을 극대화하는 기술을 개발했다.

30일 장성연 에너지 및 화학공학부 교수팀은 무기 나노소재인 양자점과 유기 고분자 소재를 하나의 태양전지에 접합한 '양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지'를 개발했다고 밝혔다.

양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질로, 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유자재로 바꿀 수 있다. 다른 광활성층 물질은 흡수하지 못하는 적외선 영역까지도 흡수하는 것이 양자점의 장점으로 꼽힌다.

▲ '양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지'를 개발한 장성연 교수(가운데)와 연구원들.

그러나 양자점으로도 근적외선 영역 중 흡수가 잘 일어나지 않는 일부 구간은 있다.

연구진은 근적외선 영역에서 광 흡수 특성이 좋은 유기 고분자 소재를 추가해, 태양광 활용 영역을 넓힌 하이브리드 태양전지를 개발했다.

양자점을 광활성층으로 사용하는 단위 전지(sub-cell)와 유기 고분자 소재 단위 전지가 상하로 직렬 연결된 '탠덤 구조'로, 양자점이 흡수하지 못하는 근적외선을 유기 고분자 소재가 흡수하는 형태다.

연구진은 여기에 전압 손실을 최소화할 수 있는 '중간층'을 개발, 광전변환효율을 최적화했다. 광전변환효율은 입사된 태양광을 전기에너지로 변환하는 능력인데, 이는 전압에 의해 결정된다.

일반적으로 탠덤 태양전지는 중간층에서 전압 손실이 발생하는 전체 효율이 낮아지게 된다. 그러나 연구진이 개발한 중간층을 적용하자 기존 탠덤 태양전지보다 효율이 15% 향상했다.

특히 새로 개발한 양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지는 전체 제조 공정을 상온에서 진행할 수 있고, 용액을 이용해 손쉽게 만드는 용액공정을 쓴다. 그 덕분에 대량생산에 유리하고, 제조 비용도 저렴하다.

장성연 교수는 "유·무기 소재를 하나의 태양전지 소자에 적용해 각 특성을 최대한 살렸다"면서 "특히 기존 양자점 태양전지가 흡수하기 어려웠던 특정 근적외선 영역을 유기 고분자를 이용해 흡수했다는 데 큰 의미가 있다"고 강조했다.

이번 연구는 에너지 소재 학술지인 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 13일 자에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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