국민대 김영훈·김형민 교수팀, '차세대 태양전지' 핵심 양자점 대량합성 길 열어

국민대학교는 화학과 김영훈·김형민 교수 연구팀이 차세대 태양전지 소재로 꼽히지만, 대량 생산 과정에서 결정의 균일성이 떨어지던 페로브스카이트 양자점의 문제를 해결해 상용화 가능성을 높였다고 15일 밝혔다.

이번 연구는 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 최종민 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.

페로브스카이트는 빛을 잘 흡수하고 빛을 전기로 변환하는 데도 유리하며 제조도 비교적 쉬워 태양전지 소재로 각광받고 있다.

양자점은 수 나노미터(㎚, 1㎚는 10억분의 1m) 크기의 반도체 결정으로, 입자 크기에 따라 빛을 흡수하거나 방출하는 파장 등 광학·전기적 특성이 달라진다.

페로브스카이트 양자점은 페로브스카이트 소재로 만든 수 나노미터 크기의 반도체 결정으로, 우수한 광학·전기적 특성 때문에 차세대 태양전지의 핵심 소재로 주목받고 있다.

그러나 페로브스카이트 양자점을 만드는 기존 방법은 합성 규모를 확대할수록 입자의 크기와 품질이 불균일해지는 한계가 있었다. 기존 합성법은 페로브스카이트를 구성하는 원료 물질들을 용액에 넣고 화학 반응을 일으켜 페로브스카이트 결정핵을 만들고 이를 성장시켜 수 나노미터 크기의 양자점으로 만든다. 문제는 반응 속도가 매우 빨라서 생산량을 늘릴수록 반응 물질이 퍼지는 속도나 온도 변화, 혼합 정도를 제어하기가 어렵다는 점이다. 양자점은 크기가 조금만 달라도 빛을 내는 성질이나 전기적 특성이 달라질 수 있다. 이 때문에 기존 화학적 제조 방법은 고품질의 양자점을 안정적으로 대량 생산하고 이를 고효율 태양전지에 적용하는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 페로브스카이트 양자점으로 변환되기 전 단계의 재료인 전구체의 확산 속도를 정밀하게 조절해 핵 생성과 결정 성장단계를 분리·제어하는 ‘고균일 대량 합성법’을 개발했다. 전구체 주변에 결합해 화학 반응 속도를 조절하는 작은 분자(리간드)를 이용해 결정핵 생성을 지연했다.

연구팀이 개발한 방법으로 만든 페로브스카이트 양자점을 적용한 태양전지는 최대 16.7%의 광전변환효율을 구현했다. 특히 그램(g) 규모로 대량 합성한 양자점을 적용한 소자에서도 15% 이상의 효율을 보여 산업적 생산의 가능성을 높였다.

이번 연구 논문은 ‘태양전지를 위한 단분산 요오드화 페로브스카이트 양자점의 전구체 확산 제어 기반 대량 합성(Precursor Diffusion-Controlled Scalable Synthesis of Monodisperse Iodide Perovskite Quantum Dots for Photovoltaics)’이라는 제목으로 에너지·화학 분야 국제 저명 학술지 ‘미국화학회 에너지 레터(ACS Energy Letters)’에 지난 3일 온라인 게재됐다. 국민대 화학과 김재혁 석사과정생, 김지건 박사, DGIST 한상훈 박사가 공동 제1저자, 국민대 김형민·김영훈 교수와 DGIST 최종민 교수가 공동 교신저자로 각각 참여했다.

김재혁 석사과정생은 지난해 SCI급 국제학술지 ‘나노 리서치(Nano Research·나노 연구)’에 단독 제1저자로 논문을 게재한 데 이어 에너지 분야 최우수 국제학술지에 연이어 논문을 발표하는 쾌거를 이뤘다.