아주대 연구팀, 양자점 태양전지 안정성·효율 개선 신소재 개발

광전변환 효율 13.7%, 고습 환경에서 90% 성능 유지

연구 모식도. ⓒ아주대 제공

아주대 이준우 교수팀(응용화학과·대학원 분자과학기술학과)이 광전변환 효율과 습도에 강점을 가지는 양자점 태양전지의 새로운 소재를 개발했다. 양자점 태양전지의 광전변환효율(PCE)을 13.7%까지 끌어올리고, 초고습 환경에서도 24시간 이상 90% 이상의 성능을 유지하는 데 성공했다.

해당 연구는 국제학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐으며 대구경북과학기술원(DGIST) 최종민 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 문병준 박사가 교신저자로 그리고 대구경북과학기술원(DGIST) 유형렬 박사가 제1저자로 참여했다.

양자점 태양전지는 비용이 저렴한 용액 공정으로 제조가 가능하고, 넓은 파장대의 빛을 흡수하는 장점 덕분에 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만, 정공 수송층(Hole Transport Layer, HTL)으로 사용되는 전도성 고분자가 도판트로 고정되지 않아 전하 이동이 원활하지 않고, 성능이 저하되는 문제가 있었다.

이 교수팀은 리튬 기반 도판트를 금속 이온과 강력하게 결합해 스케일(침전물) 형성이나 부식을 방지하는 화학 처리 방법인 킬레이트(chelation) 방식으로 고정할 수 있는 소재(PBTBDF-TEG)를 개발해 불안정 문제를 해결했다.

PBTBDF-TEG는 전도성 고분자 기반 정공 전달 소재로서 벤조디푸란(benzodifuran) 기반 공액 고분자에 에틸렌 글리콜 곁사슬을 도입했다. 에틸렌 글리콜 곁사슬과 리튬 이온이 결합하면서 도판트가 안정화됐고, 고분자 적층 간격이 감소하면서 전하 이동도 더 원활해졌다. 양자점 태양전지의 광전변환효율(PCE)은 13.7%을 달성했고, 수분 억제력도 좋아 초고습 환경에서 24시간 이상 90% 이상의 성능을 유지하는 데 성공했다.

이준우 아주대 교수는 "이번 연구는 도판트 확산 문제를 화학적 설계로 해결해 고효율과 안정성을 동시에 달성한 점에서 의미가 크다"며 "향후 양자점 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트 태양전지 등 다른 차세대 태양전지에도 적용 가능하다"고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 지원사업과 아주대학교 교내 연구비 지원을 받아 수행됐다.