DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양) 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 양자점 태양전지 후면에 나노구조체 전극을 도입해 태양전지의 빛 흡수 능력과 광전류 생성을 향상시켰다고 11일(수) 밝혔다. 뿐만 아니라, 나노구조체의 형태와 태양전지의 효율의 상관관계 및 유기물에 나노 패턴 형성을 위한 최적화된 조건을 체계적으로 규명했다. 유기물을 이용하는 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.
최근 신재생에너지 중 하나인 태양전지에 대한 관심이 높아지면서 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 특히, 양자점 태양전지 분야 중에서도 페로브스카이트 양자점 태양전지는 최근 빠르게 에너지 발전 효율이 높아지고 있어 차세대 태양전지로써 각광을 받고 있다.
태양전지의 효율은 크게 빛 흡수 능력과 빛에 의해 생성된 전하를 전극으로 수송하는 능력에 의해 결정된다. 페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성에도 불구하고 태양전지 제작 시에 광흡수층을 두껍게 형성하지 못하여 빛 흡수가 불충분하기 때문에 광전류 생성이 부족하다는 한계가 있다.
이에 DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 후면 전극을 나노구조체로 형성해 전하의 추출량을 최적화시키는 두께는 유지하되, 빛 흡수 및 광전류를 향상 시키는데 성공했다. 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 정공 전달층에 나노임프린트 리소그래피 방법을 통해 나노 패턴을 형성하고 그 위에 전극 물질을 정공 전달층 나노 패턴의 굴곡을 따라 균일하게 증착함으로써 성공적으로 후면 나노구조 전극을 구현했다.
▲ 왼쪽부터: DGIST 에너지공학과 한상훈 석박사통합과정생, 최종민 교수, 국민대학교 교수 김영훈
또한, 연구팀은 다양한 높이와 주기를 갖는 나노구조 후면 전극을 형성해 나노구조의 형태와 빛의 흡수 능력 그리고 나노구조로 인한 태양전지의 전기적 손실과의 관계를 규명하여 광학적 그리고 전기적으로 효과적인 나노구조 후면 전극을 설계함으로써 광학적으로 태양전지의 빛 흡수 능력을 향상시켰으며 전기적 손실 없이 태양전지의 효율을 극대화할 수 있었다.
뿐만 아니라, 태양전지를 비롯한 광전 소자의 전하 전달 물질로 많이 이용되고 있는 유기물의 유리 전이 온도와 유연성 사이의 관계로부터 나노임프린트 리소그래피를 위한 최적의 조건을 밝혔다. 향후 유기물을 전하 전달층으로 이용하는 다양한 광전 소자의 나노 패턴 형성 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
한편, 이번 연구는 국민대학교 김영훈 교수팀, 고려대학교 백세웅 교수팀과의 공동 연구 결과이며 DGIST 한상훈 석박사통합과정생의 주도로 진행됐다. 또한, 본 연구는 한국연구재단과 DGIST R&D Program 및 한국연구재단 신진연구 과제 지원을 받아 수행되었으며 결과는 재료과학 분야 저명 학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 2022년 3월 17일에 온라인 게재됐다.
