태양전지용 안정적인 양자점 박막 개발 성공
문정희 기자 2018-11-01 16:19 0

공유결합성을 갖는 양자점 소재를 표면 개질해 태양전지에 적용하는 기술이 개발됐다. 한국기계연구원 정소희 박사 연구팀이 공유결합성이라는 재료 특성으로 견고한 안정성이 기대되는 III-V족 양자점 잉크 및 박막 제작 기술을 개발했다고 한국연구재단은 밝혔다.


양자점 태양전지는 기존 결정질 실리콘 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘고 발전단가를 월등히 낮출 수 있어 활발히 연구되고 있다. 


하지만 현재 개발되고 있는 양자점 박막은 대기 중에서 전하 농도를 쉽게 잃는 불안정함이 상용화의 걸림돌이 되고 있다.


연구팀은 광학적·전기적 특성이 뛰어나고 견고한 안정성이 기대되는 공유결합성 III-V 양자점 잉크와 박막을 제작해냈고, 이를 양자점 태양전지에 적용시켰다.


특히 III-V족 양자점 박막은 22일이나 대기에 노출되어도 전하 농도가 보존되어, 우수한 전기적 특성을 보였다.


연구팀은 III-V 양자점의 표면을 개질해 0.4eV(전자볼트)의 에너지 레벨을 조절했다. III-V족 양자점은 재료 자체의 공유결합성이 크기 때문에 표면을 제어하는 것이 난제였다. 연구팀은 표면을 벗기는 단계와 보호막을 씌우는 단계가 분리된 2단계 연속공정을 개발해 이를 해결했다.


정소희 박사는 “개발된 III-V족 양자점 잉크와 박막은 대기 노출에도 전하 농도 보존성이 우수하고 크기 조절을 통해 쉽게 밴드갭을 제어할 수 있다”라며 “태양전지, 광센서 등 다양한 광전자 응용 분야에 사용될 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.


이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 및 글로벌프런티어사업, 그리고 에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 


이는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 15일 논문으로 게재됐다.

 

에너지 준위 제어 가능한 인듐비소 양자점 표면 제어 과정 모식도
합성 후 인듐비소 양자점은 긴 부도체 특성의 리간드와 전하 이동에 방해가 되는 금속산화물로 표면이 구성되어 있다. 이를 제거하기 위해 NOBF4를 이용해 표면을 벗겨낸 후 다양한 종류의 리간드로 다시 패시베이션 시킴으로써 양자점의 전자 준위를 ~0.4eV 범위로 제어하는데 성공했다. 

 

인듐비소 양자점 박막을 이용한 양자점 태양전지 모식도 및 전류-전압 곡선
p-형으로 황화납 양자점을 n-형으로 인듐비소 양자점 박막을 적용해 양자점 p-n 접합 태양전지를 제작했고 추가적인 전자전달층 없이 7.9%의 인증 광전변환효율을 얻었다.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. III-V족 양자점 연구는 InP 양자점을 시작으로 2010년부터 연구했다. 공유결합성이 다른 II-VI, IV-VI족의 CdSe, PbS 보다 크기 때문에 합성 및 표면제어가 어렵다는 것을 이미 알고 있었다. 
특히, 2016년에 세계 최초로 정사면체 모양의 III-V InP 양자점을 합성하는데 성공해 III-V 양자점 표면에 대한 이해를 높였고, 연달아 좁은 크기 균일도와 크기 제어가 가능한 III-V InAs 양자점 합성법을 보고했다. 
이렇듯 앞선 합성 기술 개발에 따라 얻어진 고품질 III-V InAs 양자점과 표면화학 이해를 기반으로 마침내 표면 기능화를 통한 InAs 양자점 태양전지 박막을 제작하는데 성공할 수 있었다. 

 

Q. 연구의 필요성. 
A. 수 나노미터 크기의 무기질 반도체 결정인 양자점은 크기, 조성, 구조 등의 제어를 통해 광학적 성질을 조절할 수 있어 저비용 태양전지로서 다양한 형태로 개발되고 있다. 
특히, 양자점 태양전지는 기존의 결정질 실리콘 태양전지의 효율한계를 뛰어넘고, 발전단가를 월등히 낮출 수 있는 대안으로 활발히 연구되고 있다. 
하지만 그동안 개발됐던 양자점 소재는 대기 분위기에 쉽게 전하 특성을 잃어버리는 낮은 안정성의 문제점이 있어 안정한 양자점 박막을 개발하는 것이 필요하다. III-V족 양자점은 재료 자체의 공유결합성으로 견고한 안정성이 기대되고 이미 디스플레이 소재로 적용되어 시장에 진출한 재료이다. 
벌크 밴드갭이 작은 III-V족 반도체는 엑시톤 보어 반경이 크기 때문에 양자점으로 합성됐을 때 넓은 근적외선 영역을 갖는 밴드갭을 크기에 따라 제어할 수 있다. 그러나 III-V족 재료 자체의 공유결합성이 크기 때문에 표면결함을 제어하는 것이 어렵다.  

 

Q. 이번 성과는 기존과 무엇이 다른가.
A. 처음으로 InAs 콜로이드 양자점을 표면 제어 연구를 기반으로 해 박막형 태양전지에 적용했다. 또한 태양전지 제작에 앞서 구조를 설계하기 위해 필요한 InAs 양자점 박막의 기본물성(전하농도, 전하이동도, 확산거리 등)을 측정해 보고했다. 
이 연구에서 제시한 기본 데이터는 태양전지뿐만 아니라 광센서 등으로 확장 적용될 것으로 기대되며, 더 나아가 InAs 양자점 박막은 Bottom Cell로 기존의 실리콘, 페로브스카이트 태양전지 등과 적층형(Tandem) 태양전지로 이용이 가능할 것으로 예측된다. 

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은.
A. 상대적으로 높은 에너지가 필요한 공유 결합성 양자점의 용액 공정 기반 합성 및 합성 후 결함 제어가 그동안 매우 도전적인 과제로 여겨져 왔다. 이번에 공유결합성 III-V InAs 양자점의 연구를 통해 이해한 결과를 기반으로 태양전지 등 전자 소자의 핵심소재로 활용될 수 있는 공유 결합성 양자점 소재를 개발하고 싶다.
 

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문정희 기자
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