국내 연구진이 공동연구를 통해 고효율·무독성 양자점 태양전지를 개발했다. 기초과학연구원 나노입자 연구단(단장 현택환)과 한국과학기술연구원　광전하이브리드연구센터·고려대-KIST 융합대학원 고민재 박사 연구팀은 기존의 독성 중금속 화합물 나노입자 양자점을 새로운 양자점으로 대체하여 무독성 양자점 태양전지 생산에 성공하였다.

양자점 태양전지는 단순한 용액 공정으로 제작이 가능해 기존 태양전지 대비 저렴하게 생산이 가능하다. 또한 크기, 모양, 구조에 따른 밴드갭 제어가 용이한 장점을 갖고 있다. 이와 더불어 흡수할 수 있는 광파장대 영역이 넓어 흡광성이 좋고, 이론상 1 광자당 多 전자를 얻을 수 있는 있어, 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만 종전까지 개발된 양자점 태양전지는 양산을 위해 극복해야할 과제가 남아 있었다. 바로 독성 중금속 화합물이 쓰인다는 것이다. 기존 양자점 태양전지는 카드뮴(Cd), 납(Pb)과 같은 중금속 화합물 나노입자가 광흡수체로 사용되어, 인체에 치명적일 수 있고, 환경오염이 우려되어 상용화가 어려운 실정이었다.

이에 두 연구팀은 공동연구를 시작하였고, 친환경 구리(Cu)-인듐(In)-셀레늄(Se)(이하 CISe) 화합물 나노입자를 양자점 광흡수체로 이용하여 이 같은 문제를 해결하였다. 이로서 향후 양자점 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

또한 연구진은 기존의 카드뮴, 납 기반 양자점에 비해 CISe 양자점 표면과 전해질 계면에서 전하재결합이 활발히 일어나 효율이 떨어지는 것을 발견하고, 이를 효과적으로 억제할 광전극막 코팅 기술을 개발하였다. 양자점 태양전지 전극 내에 있는 다공성 광전극에 기존대비 2배 두께의 황화아연을 덮어 전하재결합 방지막을 형성하는 방식이다.

이와 같은 방법으로 CISe 화합물 나노입자 양자점에서 생성된 전공과 전자간의 재결합은 약 80% 가량 감소하였다. 또한 광전극 표면과 전해질 계면 사이의 미세한 틈에 갇혀 이산화티타늄 전극으로 흐를 수 없는 전자를 약 33% 줄일 수 있었다. 그 결과 광전변환 효율이 기존 대비 약 40% 증가하였다. CISe 화합물 나노입자 양자점은 1100 nm의 근적외선 영역까지 폭넓은 태양광 파장을 활용할 수 있어, 8.10%의 세계최고 광전변환 효율을 가진 양자점 태양전지를 구현할 수 있었다.

이번 연구성과는 다른 종류의 태양전지 및 양자점을 이용한 다양한 광전기화학 기기, 차세대 디스플레이 기기 등에 광범위하게 활용될 것으로 기대된다. 고민재 박사는 “이번 연구결과는 기존의 양자점 태양전지에서 광흡수체로 활용하는 독성 중금속 화합물 나노입자를 무독성 화합물 나노입자로 대체 가능함을 보인 것으로, 양자점 태양전지 상용화를 크게 앞당기는 데에 기여할 수 있을 것으로 본다.”고 밝혔다.

연구성과는 미국화학회가 발행하는 ACS Nano (American Chemical Society Nano, IF 12.881) 10월 2일자 온라인판에 게재됐다.

▲ CISe 화합물 나노입자를 이용한 양자점 태양전지

▲ 전하재결합 방지막 두께의 정교한 제어기술

▲ 무독성 구리-인듐-셀레늄 양자점 태양전지의 전류전압 곡선

대외협력실 김한섭