국내 연구진, 태양전지용 안정적 양자점 박막 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 공유결합성을 갖는 양자점 소재를 표면 개질해 태양전지에 적용하는 기술을 개발했다. 정소희 박사(한국기계연구원) 연구팀이 공유결합성이라는 재료 특성으로 견고한 안정성이 기대되는 III-V족 양자점 잉크 및 박막 제작 기술을 개발했다고 한국연구재단은 21일 밝혔다.

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 구성돼 있다. 이를 제거하기 위해 NOBF4를 이용해 표면을 벗겨낸 후 다양한 종류의 리간드로 다시 패시베이션 시킴으로써 양자점의 전자 준위를 ~0.4eV 범위로 제어하는데 성공했다. 그림=한국연구재단.

양자점(Quantum dot)은 크기에 따라 흡수·발광 파장이 조절되는 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정이다.

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 적용했다. 특히 III-V족 양자점 박막은 22일이나 대기에 노출돼도 전하 농도가 보존돼 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”며 “태양전지, 광센서 등 다양한 광전자 응용 분야에 사용될 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 및 글로벌프런티어사업, 그리고 에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 수행됐다. 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 10월 15일 논문으로 게재됐다.