박남규 성균관대 교수와 이진욱 학생이 주도하고 삼성종합기술원, KIST, 이화여대가 공동 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구) 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행됐고 세계적으로 권위 있는 과학저널인 ‘네이처’가 발행하는 ‘Scientific Reports’ 최신호에 게재됐다.
효율이 높은 양자점 태양전지를 개발하려면 가시광선 전 영역과 근적외선 영역까지 흡수할 수 있고 다양한 양자점 크기 효과를 얻을 수 있는 양자점 물질로 광전류밀도를 극대화해야 한다. 그러나 지금까지 개발된 PbS 양자점을 이용한 태양전지 중에서 가장 높은 광전류값은 약 19mA/cm²로 이론값(38mA/cm²)에 비해 매우 낮았다.
박남규 교수 연구팀은 PbS 양자점의 전류밀도가 낮은 원인이 양자점을 구성하는 원소간의 화학적 결합특성과 관계가 있음을 알아내고 소량의 수은(Hg)을 결정격자 안에 안정화시키면 화학적 결합과 결정성이 강화되고 광전특성도 우수해진다는 사실을 밝혀냈다.
박 교수팀은 수은으로 덮인 PbS 양자점의 강화된 화학적 결합특성으로 유도된 우수한 광전특성을 이용해 광전류밀도가 표준 태양광조건에서 이론값에 가까운 세계 최고 수준인 30mA/cm²의 양자점 태양전지(5.6% 효율)를 개발했다.
박남규 교수는 “양자점 태양전지에서 광흡수 양자점 물질의 화학적 결합특성을 파악하고 화학결합을 미세하게 조절하면 이론값에 가까운 광전류를 실현할 수 있다”라며 “앞으로 초고효율 태양전지 개발에도 중요한 과학적 단서를 제공할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
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양자점: 화학적 합성 공정으로 만든 나노미터(10억분의 1m) 크기의 반도체 결정체로 높은 흡광특성, 쉬운 밴드갭 엔지니어링 등의 특성으로 태양전지용 재료로 각광 받고 있다.