KAIST 공동연구팀, 고효율의 차세대 태양전지 기술 개발
KAIST 공동연구팀, 고효율의 차세대 태양전지 기술 개발
  • 육군영 기자
  • 승인 2019.11.19 18:14
  • 댓글 0
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유기고분자-양자점 기반 하이브리드 태양전지 원천기술 확보
유기 단분자 물질을 도입해 효율과 안정성 두마리 토끼 잡아
차세대 에너지 동력원으로 기대
연구팀이 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리 개념도.
연구팀이 제시한 하이브리드 소재 구조의 작동 원리 개념도.

[대전=뉴스봄] 육군영 기자 = 유기 단분자 물질 도입을 통한 고성능의 차세대 하이브리드 태양전지 기술이 국내외 공동연구팀에 의해 개발됐다.

KAIST EEWS 대학원 이정용 교수와 캐나다 토론토대학 전기 및 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수의 공동연구팀은 유기 단분자 물질 도입을 통해 단순 성능 개선을 넘어 기존의 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결했다.

이번에 연구된 기술은 앞으로 국내외 태양전지기술의 구체적인 방안을 제시하고 친환경적인 차세대 에너지원으로서 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

백세웅, 전선홍 박사, 김병수 박사과정 및 앤드류 프로페(Andrew H. Proppe) 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 11월11일 자 온라인판에 게재됐다. (논문명: Efficient hybrid colloidal quantum dot/organic solar cells mediated by near-infrared sensitizing small molecules)

높은 기계적 특성 및 흡광 계수를 갖는 ‘유기고분자’는 근적외선 영역을 흡수할 수 있는 콜로이달 양자점을 이용해 하이브리드 태양전지로 제작할 수 있다.

이 전지는 용액공정으로 제작할 수 있고 두 물질의 장점을 모두 취할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받아왔다.

하지만 유기고분자와-양자점 기반의 하이브리드 구조는 10% 이하의 낮은 광전변환 효율과 낮은 전하추출 능력, 부족한 안정성 등으로 넘어야 될 산이 많은 실정이다.

연구팀은 문제해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새 유기 단분자 구조를 도입했다.

이렇게 유기 단분자 매개체 도입된 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존의 구조보다 다양한 강점을 가진다.

연구팀이 구현한 태양전지 소자의 광전기적 특성 및 안정성 그래프.
연구팀이 구현한 태양전지 소자의 광전기적 특성 및 안정성 그래프.

우선 기존의 유기 고분자에서 생성된 엑시톤을 원활하게 추출할 수 있으며 상호 보완적인 흡광 대역이 형성돼 추가적인 전류 향상을 얻을 수 있다.

또 계단형 에너지 레벨을 형성해 에너지 및 전하를 효과적으로 운반할 수 있다.

이러한 강점을 통해 연구팀은 13.1%의 광전변환 효율을 달성했으며 이는 기존의 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 높은 효율이다.

그뿐만 아니라 제작 후 약 1500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했으며 최대전력조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 유지했다.

이정용 교수는 “단분자를 도입해 기존의 하이브리드 구조의 고질적인 한계를 극복하고 고효율의 차세대 태양전지를 구현했다”라면서 “개발한 고효율 태양전지는 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, IoT, 드론 및 4차산업에 적용 가능한 차세대 에너지 동력원으로써 주목받게 될 것”이라고 기대감을 보였다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.


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