태양전지용 안정적인 양자점 박막 개발

공유결합성 양자점 표면 개질을 통한 에너지 레벨 제어

공유결합성을 갖는 양자점 소재를 표면 개질해 태양전지에 적용하는 기술이 개발되었다.

한국기계연구원 정소희 박사 연구팀이 공유결합성이라는 재료 특성으로 견고한 안정성이 기대되는 III-V족 양자점 잉크 및 박막 제작 기술을 개발했다고 한국연구재단이 21일 밝혔다.

양자점(Quantum dot)은 크기에 따라 흡수, 발광 파장이 조절되는 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정을 말한다.

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 (1)표면을 벗기는 단계와 (2)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 및 글로벌프런티어사업, 에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 15일 논문으로 게재되었다.

에너지 준위 제어 가능한 인듐비소(InAs) 양자점 표면 제어 과정 모식도

합성 후 인듐비소(InAs) 양자점은 긴 부도체 특성의 리간드와 전하 이동에 방해가 되는 금속산화물로 표면이 구성되어 있다. 이를 제거하기 위하여 NOBF4를 이용하여 표면을 벗겨낸 후 다양한 종류의 리간드로 다시 패시베이션 시킴으로써 양자점의 전자 준위를 ~0.4eV 범위로 제어하는데 성공하였다.

인듐비소(InAs) 양자점 박막을 이용한 양자점 태양전지 모식도 및 전류-전압 곡선

p-형으로 황화납(PbS) 양자점을 n-형으로 인듐비소(InAs) 양자점 박막을 적용하여 양자점 p-n 접합 태양전지를 제작하였고 추가적인 전자전달층 없이 7.9%의 인증 광전변환효율을 얻었다.

seokjang@fnnews.com 조석장 기자