차세대 에너지원으로 꼽히는 '양자점(Quantum Dot) 태양전지'의 고질적 문제인 수분 취약성을 해결하고 효율까지 높인 신소재가 개발됐다.
아주대학교는 이준우 응용화학과 교수팀이 최종민 대구경북과학기술원(DGIST) 교수, 문병준 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀과 공동 연구를 통해 광전변환 효율과 안정성을 동시에 개선한 양자점 태양전지용 신소재를 개발했다고 2일 밝혔다.
양자점 태양전지는 제조 단가가 낮고 빛 흡수율이 뛰어나지만, 정공 수송층 내의 '도판트'(Dopant, 첨가물)가 고정되지 않아 전하 이동 효율이 떨어지고 수분에 취약하다는 단점이 있었다.
연구팀은 리튬 기반 도판트를 화학적으로 단단히 붙잡아두는 '킬레이트'(Chelation) 방식을 적용해 이 문제를 풀었다. 새로 개발된 소재(PBTBDF-TEG)는 벤조디푸란 기반 고분자에 에틸렌 글리콜 곁사슬을 도입해 도판트를 안정화했다. 이로 인해 고분자 간 적층 간격이 좁아지며 전하 이동이 원활해졌다.
성과는 수치로 입증됐다. 연구팀이 개발한 태양전지의 광전변환 효율(PCE)은 13.7%를 기록했다. 특히 수분 억제력이 획기적으로 향상돼 초고습 환경에서도 24시간 이상 초기 성능의 90% 이상을 유지하는 데 성공했다.
이 교수는 "도판트 확산 문제를 새로운 화학적 설계로 해결해 효율과 안정성을 모두 잡았다"며 "향후 페로브스카이트 태양전지 등 다양한 차세대 태양전지 기술에도 적용할 수 있을 것"이라고 말했다