기계연-KAIST, 대기 안정성 높은 초소형 양자점 합성·형성원리 규명

초소형 양자점의 현미경 사진과 양자점 크기에 따른 대기안정성과 양자점 모양의 상관관계 그림
초소형 양자점의 현미경 사진과 양자점 크기에 따른 대기안정성과 양자점 모양의 상관관계 그림
양자점 크기를 제어하는 방법으로 태양전지의 안정성을 높일 수 있는 원리가 규명됐다.

한국기계연구원(원장 최태인)은 나노역학연구실 정소희 박사팀과 KAIST 나노과학기술대학원 김용현 교수 공동 연구팀이 차세대 '황화납 양자점' 태양전지의 양자점 크기를 제어하는데 성공했다고 8일 밝혔다.

양자점이란 빛을 잘 흡수하는 나노 반도체 입자를 말하는데, 기존의 양자점은 크기가 커지면 산소나 물 등에 접촉하는 공간이 발생해 산화됨으로써 대기 안정성이 떨어진다는 문제점이 있었다.

연구팀은 이같은 문제를 보완하기 위해 세계 최초로 대기노출에 안정한 직경 1.5나노미터(nm) 크기의 황화납(PbS) 양자점을 합성하는 데 성공했다.

황화납 양자점 태양전지는 나노미터(10억분의 1m) 크기의 반도체 결정체인 양자점을 표면에 붙인 태양전지로, 유기염료 태양전지보다 공정이 간단하고 제작비용이 저렴하다.

뿐만 아니라 황화납 양자점의 크기에 따라 모양이 팔면체에서 육팔면체로 바뀌는 현상을 규명했고, 이러한 모양 변화가 양자점의 대기안정성 특성에 직접적인 영향을 준다는 사실도 최초로 밝혀냈다.

연구팀은 양자점 표면 분자를 효과적으로 제어하여 양자점 모양 변화를 자유자재로 조절할 수 있게 돼 이를 통해 기존 양자점 소재의 대기안정성에 관한 기술한계를 원천적으로 극복할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

그동안 양자점의 대기안정성을 확보하는 문제는 최근 태양전지, 바이오 이미징 등의 분야에서 중요한 이슈로 제기돼 왔다. 따라서 이번 연구 결과는 향후 양자점을 이용한 차세대 신기술 개발에 중요한 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다.

기계연은 보유 중인 세계 최고 수준의 고효율(에너지 변환효율 6.5% 이상) 양자점 태양전지 제작에 이 기술을 적용한다는 계획이다.

정소희 박사는 "이번 연구를 통해 저가·고효율의 차세대 광전변환소자로 각광을 받고 있는 양자점 태양전지 기술의 중요한 난제였던 안정성 문제를 해결할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 화학분야 최고 권위지인 JACS(Journal of the American Chemical Society, 미국화학회지)' 최신호에 게재됐다.

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