연구성과

화공 박태호 교수팀, “주상전하 납시오!” 전하의 움직임에 주목하라

2023-05-11 576

[박태호 교수 연구팀, 고전도율 고안정성 기반 정공 수송체 개발]

태양전지는 환경오염을 줄일 수 있는 친환경 발전방식이다. 특히, 페로브스카이트 양자점*1 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 생산 비용이 저렴하고 유연한 소재에 적용할 수 있어 학계의 주목을 받고 있다.

페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율은 전하를 이동시키는 정공수송체*2에 의해 좌우된다. 그런데 기존 정공수송체의 경우, 첨가제로 인해 페로브스카이트 가 빠르게 분해되기 때문에 첨가제 없이 전하를 이동시킬 수 있는 정공수송체에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

화학공학과 박태호 교수·통합과정 이대환·임세영 씨 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 핵심 소재인 정공수송체 고분자를 새로 설계하여 전지의 효율을 향상시켰다. 이번 연구는 에너지와 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 게재됐다.

연구팀은 이번 연구에서 황(S) 화합물 또는 셀레늄(Se) 화합물 기반 고분자를 포함한 정공수송체를 설계하였다. 이 고분자들은 문을 걸어 잠그는 자물쇠처럼 분자 간 구조를 단단하게 고정하여 평면구조를 만듦으로써 전하의 이동성을 높일 수 있다. 또, 비대칭 알킬 치환기*3를 갖고 있어 분자와 분자 사이의 상호작용을 조절하면서 전지의 전기적 특성을 보완할 수 있다.

이어, 연구팀은 대조군과의 비교 실험을 통해 새롭게 설계한 고분자들의 효과를 확인했다. 그 중에서도 셀레늄 화합물을 포함한 정공수송체를 태양전지에 적용한 결과, 전력 변환 효율이 15.2%까지 향상되었고, 40일 후에도 초기 효율의 약 80%를 유지했다. 첨가제 없이 전하의 이동성을 향상시켜 페로브스카이트 양자점 태양전지에서 가장 높은 전력 변환 효율과 우수한 소자 안정성을 보여준 것이다.


연구를 이끈 박태호 교수는 “이번 연구 결과는 기존 전하 수송체에 새로운 패러다임을 제시한 것으로 앞으로 태양전지 소자 연구에 적용될 것으로 기대된다.”고 말을 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 단계도약형 탄소중립 기술개발 사업, 탄소제로 그린 암모니아 사이클링 연구사업의 지원으로 수행됐다.


1. 페로브스카이트 양자점
유기물(A), 무기물(B), 할로겐화물(X)이 결합하여 ABX3 형태의 화학구조를 가지는 페로브스카이트 결정의 크기가 나노미터 단위로 제어된 3차원 격자 구조를 가지는 반도체 나노입자를 말한다.

2. 정공수송체
빛을 받아 만든 정공(전하 입자)을 전극으로 나르는 태양전지 구성체를 말한다.

3. 알킬 치환기
알킬기에서(CnH2n)에서 수소 하나가 제거된 상태를 말한다.