[환경일보] 박순주 기자=국내 연구진이 양자점 단일점을 효과적으로 도입해 유기태양전지의 안정성 및 광전 변환 효율을 획기적으로 개선한 전지를 개발했다.

태양광을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석에너지의 고갈과 청정에너지원의 필요성이 부각되면서 차세대 대체에너지원으로서 각광 받고 있다. 현재 태양전지는 실리콘계 태양전지가 주로 생산되고 있으나 복잡한 제작공정 및 높은 재료가격으로 인해 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다.

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

이와 관련, 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원(분원장 김준경)은 10월23일 “복합소재기술연구소 소프트혁신소재연구센터 손동익 박사팀이 차세대 나노소재재료 중 하나인 양자점 단일층을 이용해 광전환 효율을 증대시키면서, 소자의 안정성을 강화한 유기 태양전지를 개발했다”고 발표했다.

이번 연구 성과는 에너지재료 분야의 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 ‘Enhanced Photovoltaic Performance of Inverted Polymer Solar Cells utilizing Multi-functional Quantum-dots Monolayer’의 제목으로 9월11일 온라인판으로 게재됐다.

‘Advanced Energy Materials’의 9월11일자 온라인판에 개제된 논문의 내용을 담고 있는 개괄적 이미지<자료제공=KIST>

일반적으로 유기태양전지에서 태양광을 흡수해 전자(Electron)와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층 (Active layer)이라 불리는 유기물층 (P3HT 혹은 PTB7 고분자 물질)은 태양광을 받아 전자를 내놓는 ‘전자주게물질’ (Donor)과 전자를 받아서 전극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM: 탄소나노물질)의 혼합층(탄소복합구조)으로 이뤄져 있다.

하지만 유기태양전지의 특성상 광활성층의 두께는 제한적이고 광활성층에 사용된 유기물질의 종류에 따라 고유의 특성이 존재하므로 태양광의 전 파장 영역에서 100% 흡수할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

‘유기태양전지의 상업화 기여’ 기대
연구팀은 유기태양전지의 표면개질 고분자층(PEIE) 표면 위에 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe)’를 수 나노미터 두께인 단일층으로 처리한 유무기 하이브리드 구조를 가진 유기태양전지를 제작했다.

기존에 사용된 자외선 영역의 파장을 가지는 넓은 밴드갭의 금속산화물 나노입자는 전자 수송층으로만 사용했었기 때문에 효율을 향상시키기에는 많은 제약이 있었다.

이 연구에서 가시광선 영역의 파장을 가지는 카드뮴 셀레나이드(CdSe)양자점 단일층 구조를 형성해 기존의 금속 산화물 나노입자가 했었던 전자수송층 역할을 물론이고, 일정한 광흡수, 광산란, 플라즈모닉 특성 등의 다기능한 역할로 기존보다 20%이상 효율을 증가함과 동시에 안정성도 개선됨을 확인했다.

개발된 ‘카드뮴 셀레나이드(CdSe) 단일층’은 단순한 용액공정을 통해 쉽고 빠르게 형성할 수 있고, 이는 광활성층에서 흡수하지 못하고 투과해버리는 태양광을 소량 흡수해 전자와 정공의 형성에 도움을 주게 되어 태양전지의 광전변환 효율의 증대를 가져오게 된다.

KIST 손동익 박사는 “단일층 양자점을 이용해 기존 전자수송층 뿐만 아니라, 다양한 기능성을 통해서 광에너지 전환 효율을 향상시키고, 용액 안정도가 커 유기태양전지의 내구성을 획기적으로 개선시킨다”며, “후속으로 연구 중인 차세대 재료인 그래핀 양자점과의 복합구조를 가진다면 유기태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 보인다”고 말했다.

<용어설명>

*양자점(quantum dot)=지름 수십 나노미터(㎚) 이하의 0차원 반도체 결정물질로 전자소재, 태양전지, 디스플레이 등 다양한 분야에서 응용된다. 그 크기가 매우 작아 특이한 성질을 가지는데 입자가 작을수록 파장이 짧은 빛을 내고 입자가 클수록 파장이 긴 빛을 낸다.

*유기태양전지(Organic solar cell)=태양전지란 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서 특히 유기태양전지는 실리콘 태양전지, 박막태양전지에 이어 3세대 태양전지에 속하는 신기술에 해당하며, 크게 유기(고분자)반도체와 염료감응형 태양전지로 구분된다.

*밴드갭=전자가 존재하는 에너지레벨과 전자가 존재하지 않는 에너지라벨 사이의 차이를 뜻한다.

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