전 세계적으로 고효율 태양전지 제조 기술연구가 이어지는 가운데 국내 연구진이 양자점 태양전지 기술을 개발해 주목을 끌고 있다. 그동안 국내외 양자점 태양전지에 대한 연구는 있었지만 이론적인 수치에 접근하지 못했다. 그런데 성균관대 박남규 교수와 이진욱 학생이 주도한 연구팀은 세계 최고 수준 30㎃/㎠의 양자점 태양전지 기술을 개발, 앞으로 태양전지 효율향상에 기여할 것으로 기대된다.
무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로, 저렴하면서도 효율이 높은 태양전지의 개발은 전 세계적 화두다. 차세대 태양전지 중에서 유기염료(색소) 대신 나노 크기의 반도체인 양자점을 산화물 표면에 흡착한 양자점 감응 태양전지*는 제조 과정이 간편하고 저렴해 미래 유망 태양전지기술로 각광받고 있다. 양자점이란 화학적 합성 공정으로 만든 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정체로, 높은 흡광성, 쉬운 밴드갭 엔지니어링 등의 특성으로 태양전지용 재료로 그 탁월함을 인정받는다. 그런데 최근 이러한 양자점 물질(황화납)의 화학적 결합특성을 미세하게 조절해 효율이 뛰어난 양자점 태양전지 개발에 기반을 마련했다. 성균관대 박남규 교수와 이진욱 학생이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 연구팀은 그동안 이론적으로만 알려진 광전류 값에 근접한 양자점 태양전지 기술을 최근 개발 완료했다.
* 양자점 감응 태양전지 : 유기염료(색소) 대신 나노 크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료 감응 태양전지. 나노 결정 반도체를 TiO2 표면에 흡착시킨 광전극, 산화 환원 전해질 및 구리계 상대 전극으로 구성된 태양전지로, 기존 유기염료 대신에 반도체 양자점을 이용하는 것을 특징으로 함.
세계 최고 수준 30㎃/㎠의 양자점 태양전지 효율이 높은 양자점 태양전지를 개발하려면, 가시광선 전 영역과 근적외선 영역까지 흡수할 수 있고(판크로마틱 광흡수*) 다양한 양자점 크기 효과를 얻을 수 있는 양자점 물질(황화납, PbS)로 광전류 밀도를 극대화해야 한다. 그러나 지금까지 개발된 PbS 양자점*을 이용한 태양전지 중에서 가장 높은 광전류 값은 ㎠당 약 19㎃로, 이론적인 수치인 38㎃에 비해 매우 낮았다. 그리고 이론값에 비해 왜 1/2 수준밖에 미치지 못하는지에 대한 원인은 정확히 밝혀지지 못했다.
박남규 교수 연구팀은 PbS 양자점의 전류 밀도가 낮은 원인이 양자점을 구성하는 원소 간의 화학적 결합 특성과 관계가 있음을 알아냈다. 즉, 공유결합 세기가 강할수록, 원소 간 규칙적으로 배열될수록 광전자 발생 효율이 증가한다는 관계를 밝혀 낸 것이다. 또한 소량의 수은(Hg)을 결정 격자 안에 안정화시키면 화학적 결합과 결정성이 강화되고 광전 특성도 우수해진다는 사실을 밝혀냈다. 박 교수팀은 수은으로 덮인(도핑된) PbS 양자점의 강화된 화학적 결합 특성으로 유도된 우수한 광전 특성을 이용해, 광전류 밀도가 표준 태양광 조건에서 이론값에 가까운 세계 최고 수준인 30㎃/㎠의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발했다. 여기서 표준 태양광 조건은 태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1㎠당 100㎿ 조건(1태양 조건)을 뜻한다. 또한 이번에 개발된 고광전류 양자점 태양전지는 납(Pb) 및 수은 양이온과 황(S) 음이온을 연속적으로 나노 크기의 이산화티타늄(TiO2) 입자 표면에 흡착 반응해 상온에서 20분 이내 간편하게 광전극을 만들 수 있기에 공정 시간이 짧아지고(기존 유기염료는 최대 하루 이상 소요), 기존의 광전류값(19㎃)에 비해 약 1.6배 높다. 박 교수는 "양자점 태양전지에서 광흡수 양자점 물질의 화학적 결합 특성을 파악하고 화학 결합을 미세하게 조절하면 이론값에 가까운 광전류를 실현할 수 있고, 앞으로 초고효율 태양전지 개발에도 중요한 과학적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
* 판크로마틱 광흡수 : 태양광 스펙트럼은 자외선, 가시광선, 적외선으로 구성되는데, 태양전지는 일반적으로 가시광선 일부만 흡수하며, 가시광선 전부뿐만 아니라 적외선 영역까지도 흡수할 경우 판크로마틱 광흡수라고 함. 판크로마틱 광흡수는 높은 광전류를 가능케 한다. * PbS 양자점 : 18㎚ 이하의 크기가 되면 밴드갭이 0.5eV에서 두 배로 증가해 약 1eV 밴드갭을 갖는 반도체 물질.
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