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울산과학기술원(UNIST) 연구진이 양자점(아주 작은 무기물 반도체 입자)을 이용해 태양광을 전기로 바꾸는 '양자점 태양전지' 효율을 개선하는 기술을 개발함. 장성연 에너지 및 화학공학부 교수팀은 유기 고분자를 소재로 적용해 양자점 태양전지 성능을 극대화하는 '양자점-유기 고분자 접합 태양전지'를 개발했다고 23일 밝힘.

태양전지는 태양광을 흡수한 물질(광활성층)이 전자(electron)과 정공(hole)을 만드는 성질을 이용함. 전자가 광활성층을 빠져나오면, 전자가 빠진 자리에는 마치 구멍이 생기듯 정공이 생김. 이때 전자와 정공이 각각 태양전지의 음극과 양극으로 이동해 전력 생산으로 이어지는 것임. 따라서 태양전지 효율을 높이려면 전자-정공 쌍이 많아지고, 이들이 전극으로 잘 운반돼야 함.

연구팀은 정공을 더 잘 뽑아내고 운반할 수 있도록 양자점 태양전지의 한쪽을 유기 고분자로 바꿨음. 새로 개발한 유기 고분자는 정공 추출 능력이 뛰어날 뿐만 아니라, 전자와 정공이 다시 결합하는 것도 막아 정공을 양극으로 잘 운반하기 때문임.

보통 양자점 태양전지는 전자가 풍부한 양자점(n형 양자점)과 정공이 풍부한 양자점(p형 양자점)을 결합하는데, 이번 연구에서는 p형 양자점 대신 유기 고분자를 붙였음. 고분자를 이루는 단량체의 화학구조 등을 고려해 일정한 분자량으로 합성하고, 이를 n형 양자점에 접합해 태양전지를 구성했음. 그 결과 만들어진 양자점 태양전지 효율은 기존 p형 양자점 기반 소자(10.8%)보다 향상된 11.53%를 기록했음. 특히 새로 개발한 유기 고분자 소재는 손쉬운 용액공정으로 만들 수 있어, 전체 태양전지 소자를 상온에서 용액공정으로 제조하는 것이 가능함.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ 지에 게재됨.