고효율과 고안정성을 확보한 하이브리드 태양전지가 나왔다. 카이스트(KAIST) EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀과 캐나다 토론토대 전기 및 컴퓨터 공학부 테드 사전트(Ted Sargent) 교수 공동 연구팀이 유기 단분자 물질 도입을 통한 고효율, 고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다.

연구팀이 개발한 유기 고분자-양자점 하이브리드 태양전지는 단순 성능 개선을 넘어 기존 구조에서 성능이 제한된 문제점을 해결할 수 있는 구체적 방안을 제시했다. 차세대 에너지원으로써 하이브리드 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

높은 기계적 특성, 흡광 계수를 갖는 유기 고분자와 근적외선 영역을 흡수할 수 있는 콜로이달 양자점을 이용해 제작되는 하이브리드 태양전지는 용액공정으로 제작할 수 있고 두 물질 장점을 모두 취할 수 있다는 점에서 많은 관심을 받아왔다.

유기 고분자-양자점 기반의 하이브리드 구조는 낮은 광전변환 효율과 안정성 측면에서 기존 차세대 태양전지들과 경쟁하기에 부족했던 게 현시이었다. 낮은 전하추출 능력과 그로 인해 발생하는 재결합 문제로 최근까지 10% 이하의 낮은 광전변환 효율에 머무르는 하이브리드 태양전지의 성능 개선이 필요한 실정이다.

연구팀은 문제 해결을 위해 고분자와 양자점의 매개체 역할을 할 수 있는 새 유기 단분자 구조를 도입했다. 이렇게 유기 단분자 매개체 도입된 유기 고분자-양자점 하이브리드 구조는 기존 구조보다 다양한 강점을 가진다. 우선 기존 유기 고분자에서 생성된 엑시톤을 원활하게 추출할 수 있으며 상호 보완적 흡광 대역이 형성돼 추가적 전류 향상을 얻을 수 있다. 계단형 에너지 레벨을 형성해 에너지와 전하를 효과적으로 운반할 수 있다.

이런 강점을 통해 연구팀은 13.1%의 광전변환 효율을 달성했다. 이는 기존 유기 고분자와 양자점을 이용하는 하이브리드 태양전지보다 30% 이상 높은 효율이다. 제작 후 약 1500시간 이후에도 초기 효율의 90% 성능을 유지했다. 최대전력조건에서 약 150시간 이후에도 초기 효율의 80% 이상의 성능을 보였다.

이 교수는 “단분자를 도입해 기존의 하이브리드 구조의 고질적 한계를 극복하고 고효율의 차세대 태양전지를 구현했다”며 “개발한 고효율 태양전지는 최근 주목받고 있는 웨어러블 전자기기를 넘어서 모바일, 사물인터넷(IoT), 드론과 4차산업에 적용 가능한 차세대 에너지 동력원으로써 주목받게 될 것”이라고 말했다.

백세웅, 전선홍 박사, 김병수 박사과정 및 앤드류 프로페(Andrew H. Proppe) 박사가 공동 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’ 11월 11일 자 온라인판(논문명: Efficient hybrid colloidal quantum dot/organic solar cells mediated by near-infrared sensitizing small molecules)에 실렸다.