KAIST·토론토대 공동 연구팀…차세대 에너지원 적용 기대

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST(총장 신성철) EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀과 캐나다 토론토 대학교 전기· 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수 공동 연구팀이 유기 단분자 물질 도입을 통한 고효율·고 안정성 유무기 하이브리드 태양 전지 제작 기술을 개발했다.

연구팀에 따르면 유기 고분자-양자점 기반의 하이브리드 구조는 낮은 광전 변환 효율과 안정성 측면에서 기존의 차세대 태양 전지와 경쟁하기에 부족한 점이 있다.

낮은 전하 추출 능력과 이에 따라 발생하는 재결합 문제로 최근까지도 10% 이하의 낮은 광전 변환 효율에 머무르는 하이브리드 태양 전지의 성능 개선이 필요한 실정이다.

연구팀은 문제 해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새 유기 단분자 구조를 도입했다. 이렇게 유기 단분자 매개체로 도입한 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존의 구조보다 다양한 강점을 갖는다.

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·전하를 효과적으로 운반한다.

이런 강점으로 연구팀은 13.1%의 광전 변환 효율을 달성했으며, 이는 기존의 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 효율을 높였다.

이와 함께 제작 후 약 1500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했으며, 최대 전력 조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 유지했다.

연구팀이 개발한 유기 고분자-양자점 하이브리드 태양 전지는 단순 성능 개선을 넘어 기존의 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결할 수 있는 구체적인 방안을 제시하고, 차세대 에너지원으로 하이브리드 태양 전지에 적용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

백세웅·전선홍 박사, 김병수 박사 과정과 앤드류 프로페(Andrew H. Proppe) 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 네이처 에너지(Nature Energy) 11월 11일 자 온라인판에 게재됐다.

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