▲ 비정질 단분자 박막을 3D 이미지로 묘사한 개념도

KAIST가 차세대 전자소자 에너지로 주목받는 콜로이달 양자점 전지 제작에 성공했다.

KAIST는 이정용 EEWS 대학원 교수 연구팀이 산소와 수분에 저항성을 갖는 박막을 이용해 고성능, 고안정성의 양자점 태양전지 제작 기술을 개발했다고 지난 7일 밝혔다.

콜로이달 양자점 태양전지는 매우 가볍고 유연하며 근적외선 영역까지 흡수하는 특성으로 차세대 전자소자 에너지로 주목받고 있지만 아직까지 효율과 안정성, 비용 측면에서 기존의 상업화된 태양전지에 비해 경쟁력이 부족했다.

이에 연구팀은 비정질 단분자 박막이 산소 및 수분에 높은 저항성을 갖는 것에 주목해 이를 양자점 태양전지의 외부 전극 쪽 정공선택층으로 활용하는 기술을 개발해 효율을 높였다.

산소 및 수분에 저항성이 높은 막을 외부 전극 쪽에 활용하면 공기 중에 노출됐을 때 산소나 수분의 침투를 효과적으로 막아 양자점 태양전지소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.

특히 이 단분자 박막은 유기 반도체 증착을 통해 전기전도도를 크게 향상시켜 단순한 배리어 층이 아닌 태양전지에서 생성된 정공(正孔)을 효과적으로 전달하는 역할도 수행한다.

또한 진공증착 방식을 이용해 소자 종류와 상관없이 다양한 응용 가능하다. 두께도 자유롭게 조절할 수 있어 박막이 갖는 산소 및 수분의 차단 특성을 극대화할 수 있다.

뿐만 아니라 양자점 층에서 생성된 정공을 전극까지 효과적으로 전달할 수 있고 비싼 금 전극을 성능 감소 없이 저렴한 은 전극으로 대체할 수 있어 소자 생산비용을 크게 낮췄다.

연구팀은 단분자 박막을 이용한 양자점 태양전지를 제작해 약 11.7%의 최고효율을 달성했고, 산소 및 수분 저항성을 확보해 소자를 공기 중에서 보관할 시 약 1년이 지나도 초기 효율의 90% 이상을 유지함을 확인했다.

이 교수는 “양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점 발광소자, 유기 전자소자, 페로브스카이트 소자 등 다양한 분야에 적용이 가능한 기술이다”며 “저렴한 가격에 고효율의 양자점 태양전지를 제작해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.

백세웅 박사, 이상훈 박사과정이 공동 1저자로 참여했으며 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스’ 5월10일자 온라인 판에 게재됐다.