대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 최종민 에너지공학과 교수팀이 임창용 경북대 에너지화학공학과 교수, 임종철 충남대 에너지공학과 교수팀과 공동으로 '황화납 퀀텀닷(PbS Quantum Dot)' 태양전지의 전기전도성을 단시간에 향상시킬 수 있는 새로운 기술을 개발했다고 밝혔다.
전기전도성 향상을 위해 장시간 소요가 필요한 열처리 과정을 대체해 일정한 간격을 두고 순간적으로 강한 에너지를 발생시키는 '펄스 형태'의 빛을 이용, 전기전도성을 높이는 방안이다. 향후 황화납 퀀텀닷 태양전지 생산·상용화에 기여할 전망이다.
최근 차세대 태양전지 개발을 위해 나노사이즈 반도체 물질로 자외선, 가시광선, 근적외선, 단파적외선 등 태양 빛의 파장대 중 다양한 부분을 흡수할 수 있고, 용액공정으로 인한 저렴한 공정비용, 우수한 광전기적 특성 등을 가지고 있는 황화납 퀀텀닷에 대한 연구가 활발하다.
황화납 퀀텀닷 태양전지 소자를 제작하기 위해서는 여러 공정 단계를 거치는데, 최근까지 퀀텀닷 층을 기판 위에 코팅 후 열처리해 물질의 전기전도성을 높이는 공정이 효과적이어서 열처리 공정이 필수 단계로 자리매김하고 있다.
하지만 황화납 퀀텀닷은 빛, 열, 수분 등에 노출되면 퀀텀닷 표면에 결함 형성이 가속화돼 전하 재결합을 유도하고 소자 성능을 저하시키는 문제가 발생할 수 있다는 점이 상용화의 걸림돌이었다.
연구팀은 황화납 퀀텀닷 표면에 발생할 수 있는 결함 형성을 억제하기 위해 수 밀리세컨드(1000분의 1초)의 짧은 시간 동안 빛을 노출해 열처리하는 방안을 제안했다. 기존 황화납 퀀텀닷 층 열처리 방식은 열판, 오븐 등을 이용해 고온에서 수십 분 동안 진행됐다. 이로 인해 표면 결함 형성이 가속화될 수 있는 시간이 비교적 길었다.
연구팀이 제안한 '펄스 형태 열처리 기법'은 수 밀리세컨드의 단시간 내에 강한 빛을 통해 열처리 과정이 완료되기에 표면 결함 발생을 억제하고, 전류를 발생시키는 전하(전자, 정공)의 이동 수명을 연장하는 등 기존의 방식의 단점은 극복하면서 고효율을 달성하는 기술이다.
최종민 교수는 “기존 양자점 열처리 공정의 한계점을 극복할 수 있는 신규 열처리 공정을 개발해 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있었다”며, “또 파급효과가 우수한 양자점 공정을 개발로 향후 양자점이 활용되는 다양한 광전소자에 확대 응용될 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.
국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업, 한국연구재단 기초연구실지원 사업, 경북대학교 탄소중립지능형에너지시스템 지역혁신선도연구센터 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지 '스몰(Small)'에 온라인 게재됐다. 공동 제1저자는 DGIST 에너지공학과 이언지 박사과정생, 충남대학교 에너지공학과 이원종 석박사통합과정생이다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
