태양전지용 안정적인 양자점 박막 개발

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.

[e-mail] 조석장 기자