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이정용 교수, 고효율의 콜로이달 양자점 태양전지 기술 개발
〈 이정용 교수, 이상훈 박사과정 〉
우리 대학 EEWS 대학원 이정용 교수 연구팀이 산소와 수분에 저항성을 갖는 박막을 이용해 고성능, 고안정성의 양자점 태양전지 제작 기술을 개발했다.
백세웅 박사, 이상훈 박사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘에너지&인바이러멘탈 사이언스’ 5월 10일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명 : A hydro/oxo-phobic top hole-selective layer for efficient and stable colloidal quantum dot solar cells)
콜로이달 양자점 태양전지는 매우 가볍고 유연하며 근적외선 영역까지 흡수하는 특성 때문에 차세대 전자소자의 에너지 소재로 주목받고 있다. 최근 변환효율이 향상되면서 다양한 상업적 응용 가능성이 높아지고 있지만 아직까지 효율과 안정성, 비용 측면에서 기존의 상업화된 태양전지에 비해 경쟁력이 부족했다.
연구팀은 비정질의 단분자 박막이 산소 및 수분에 높은 저항성을 갖는 것에 주목해 이를 양자점 태양전지의 외부 전극 쪽 정공선택층으로 활용하는 기술을 개발했다.
산소 및 수분에 저항성이 높은 막을 외부 전극 쪽에 활용하면 공기 중에 노출됐을 때 산소나 수분의 침투를 효과적으로 막아 양자점 태양전지소자의 안정성을 크게 향상시킬 수 있다.
특히 이 단분자 박막은 유기 반도체 증착을 통해 전기전도도를 크게 향상시킬 수 있어 단순한 배리어 층이 아닌 태양전지에서 생성된 정공(正孔)을 효과적으로 전달하는 역할도 수행할 수 있다.
연구팀의 기술은 다양한 장점을 갖는다. 우선 진공증착 방식을 이용하기 때문에 소자 종류와 상관없이 어떠한 박막소자에도 응용 가능하다. 또한 두께를 자유롭게 조절할 수 있어 박막이 갖는 산소 및 수분의 차단 특성을 극대화할 수 있다.
또한 양자점 층에서 생성된 정공을 전극까지 효과적으로 전달할 수 있고 비싼 금 전극을 성능 감소 없이 저렴한 은 전극으로 대체할 수 있기 때문에 소자의 생산비용을 크게 낮출 수 있다.
연구팀은 이 기술로 고성능 및 고안정성 양자점 태양전지를 제작하는데 성공했다. 이는 기존의 금 전극을 사용해 제작한 고효율 양자점 태양전지와 비슷한 효율을 가진다.
연구팀은 단분자 박막을 이용한 양자점 태양전지를 제작해 약 11.7%의 최고효율을 달성했고, 산소 및 수분 저항성을 확보해 소자를 공기 중에서 보관할 시 약 1년이 지나도 초기 효율의 90% 이상을 유지함을 확인했다.
이 교수는 “양자점 태양전지 뿐 아니라 양자점 발광소자, 유기 전자소자, 페로브스카이트 소자 등 다양한 분야에 적용이 가능한 기술이다”며 “저렴한 가격에 고효율의 양자점 태양전지를 제작해 상용화를 앞당길 수 있는 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.
이 연구는 한국연구재단 기초연구사업, 기후변화대응기술개발사업, KAIST 기후변화연구허브 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 비정질 단분자 박막을 3D 이미지로 묘사한 개념도
그림2. 개발한 기술에 대한 개념도와 제작된 양자점 태양전지 성능 그래프
2018.06.07 조회수 14388 -
그래핀 양자점 디스플레이 핵심기술 개발
우리 학교 신소재공학과 전석우(39) 교수는 물리학과 조용훈(48) 교수, 전기및전자공학과 유승협(43) 교수와 공동으로 세계에서 처음으로 흑연으로부터 고품질의 그래핀 양자점을 개발하는데 성공했다.
연구팀은 그래핀의 원재료인 흑연에 염(salt)과 물만을 이용한 흑연층간 화합물을 합성해 친환경적인 방법으로 그래핀 양자점을 만들었다.
개발된 양자점은 지름이 5nm(나노미터, 10억분의 1미터) 정도로 크기가 매우 균일하면서도 높은 양자 효율을 보였으며, 기존 양자점과 달리 납, 카드뮴 등의 독성 물질이 포함돼 있지 않다. 또 자연에서 쉽게 얻을 수 있는 재료(흑연, 염, 물)로만 만들어 적은 비용으로 대량생산이 가능할 것으로 기대된다.
이와 함께 연구팀은 그래핀 양자점의 발광 메커니즘을 규명했으며 제조된 그래핀 양자점을 통해 휴대폰 디스플레이의 최대 밝기(수백 cd/㎡)보다 높은 1,000 cd/m2(cd, 칸델라) 이상의 높은 휘도를 갖는 그래핀 양자점 LED를 개발해 상용화 가능성을 최초로 입증했다.
전석우 교수는 “아직은 기존 LED의 발광효율에는 못 미치지만 발광 특성은 향후 더욱 향상될 가능성이 많다”며 “특히 그래핀 양자점을 활용하면 종잇장처럼 얇은 디스플레이는 물론 커튼처럼 유연한 소재에도 원하는 정보가 표시되는 기술도 가능할 것”이라고 밝혔다.
연구팀이 KAIST 나노융합연구소 그래핀 연구센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 ‘어드밴스드 옵티컬 머티리얼스(Advanced Optical Materials)’ 20일자 온라인판에 게재됐다.
그림1. 그래핀 양자점 합성 과정 및 그래핀 양자점 이미지
그림2. 그래핀 양자점 발광 메커니즘
그림3. 그래핀 양자점 적용 LED 구조 및 발광 이미지
2014.08.28 조회수 16006 -
양자점 이용한 고효율 투명 태양전지 개발
- 양자점 전해질에 분산해 9%대 고효율 염료감응 태양전지 원천기술 개발 -- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트’ 19일자 게재 -
우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀은 모바일 양자점(mobile quantum dots)을 활용해 투명한 고효율 염료감응 태양전지 원천기술을 개발하는데 성공했다.
연구 결과는 세계적 학술지인 네이처(Nature)에서 발간하는 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 19일자 온라인판에 게재됐다.
현재 양산 가능한 염료감응 태양전지는 효율이 약 14% 정도로 낮아 가시광선 및 적외선 영역의 빛 흡수를 높이기 위해 염료, 빛 산란층, 플라즈몬 구조 등을 적용해 왔다. 그러나 이러한 구조들로 인해 태양전지가 두꺼워져 고효율의 투명 태양전지 구현에 한계가 있었다.
연구팀은 빛 흡수를 높이기 위해 염료감응 태양전지의 전해질에 양자점을 분산시켜 빛 산란층과 플라스몬 구조 없이도 9%대의 고효율을 달성했다.
아직은 현재 양산 가능한 태양전지보다 효율이 낮고, 상용화에는 많은 시간이 소요될 것으로 예상되지만 근본적으로 두께가 얇고 저렴한 염료감응 태양전지의 장점으로 인해 매우 의미 있는 연구결과라고 연구팀은 전했다.
이와 함께 연구팀은 전해질에 분산돼 있는 양자점이 염료와 함께 빛을 흡수하고 나서 다시 빛을 방출해 TiO2-염료 층과 전해질이 있음에도 불구하고 투명한 태양전지를 구현해내는데 성공했다.연구팀은 또 이번 연구를 통해 △가시광선 영역대에서도 양자점의 흡수와 방출 스펙트럼에 따라 형광공명 에너지 이동과 빛을 흡수한 양자점이 산화된 염료의 환원을 가속화시켜 태양전지 효율이 증가했으며 △빛 분산층과 플라즈몬 구조가 있는 투명하지 않은 셀과의 비교에서도 양자점의 흡수에 의한 효율 증가가 다른 효과보다 크고 투명한 특성을 보였음을 밝혀냈다.
강정구 교수는 이번 연구에 대해 “염료감응 태양전지의 높은 효율과 투명성을 모두 확보할 수 있게 됐으며, 투명한 유리창에 태양전지를 설치하는 것이 최종 목표”라며 “적외선 영역의 빛을 사용해 전기를 만들 수 있는 방법을 제시해 염료감응 태양전지의 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 KAIST 인공광합성센터, 고효율박막태양전지센터, 나노계면센터, WCU, 글로벌프론티어 사업 등의 지원을 통해 수행됐다.
그림1. 모바일 양자점이 포함된 염료감응태양전지의 흡수 스펙트럼, 외부양자효율, 전압-전류.(상단) 플라즈몬 구조, 빛반사층과 모바일 양자점이 구현된 태양전지의 외부양자효율, 산란파워, 그리고 사진의 비교. (하단)
그림2. 모바일 양자점이 전해질에서 염료에 흡수된 빛 에너지를 전달하는 메커니즘(좌측)과 염료 및 양자점의 흡수스펙트럼과 양자효율 (우측): Foster Resonance Energy Transfer (FRET) (상단), 양자점에서 흡수된 빛에너지에 의한 산화된 염료의 환원 작용(중단), 2광자 흡수 (하단)
그림3. 염료감응 태양전지 샘플
그림4. 연구원 사진
2013.09.25 조회수 17906 -
순수한 그래핀의 양자점 개발 성공
- 수 나노미터 직경의 완전히 순수한 그래핀 양자점 개발 -- “바이오센서, 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 분야로 응용 가능” -
우리 학교 생명화학공학과 서태석(42) 교수와 물리학과 조용훈(48) 교수 공동 연구팀은 흑연 나노입자를 이용해 순수한 그래핀 양자점을 개발하는데 성공하고 그래핀 양자점에서의 방출되는 형광 빛의 원인을 밝혔다.
연구결과는 나노분야의 권위 있는 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 7월 19일자 표지논문(Back Cover)으로 게재됐다.
이번에 개발된 그래핀 양자점은 흑연으로 제작돼 인체에 무해한 친환경 소재라는 점에서 바이오센서, 광센서, 바이오 이미징 등 다양한 응용 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
그래핀 양자점은 수 나노미터 이하의 직경을 갖고 있으며, 가시광 영역의 형광을 방출하는 특징이 있다.
기존 그래핀 양자점은 대부분 산화된 그래핀 양자점을 다시 환원하는 방식으로 제작했다. 따라서 그래핀 양자점 구조에 존재하는 순수한 탄소 결합과 산소 결합에 의한 형광 특성이 혼합돼 있어 발광의 근원을 정확하게 구분하기 어려웠다. 또 복잡한 화학적 방법으로 제작해 생산성이 떨어졌다.
연구팀은 그래핀 양자점의 정확한 발광 원인을 규명하기 위해 수 나노미터 크기의 흑연 나노입자를 이용해 순수한 그래핀 양자점을 산화반응 과정 없이 제작했다. 또 일반적으로 사용되고 있는 산화 과정을 흑연 나노입자에 적용해 산화 그래핀 양자점을 간단하게 제작하는 방법도 개발했다.
연구팀은 개발된 순수한 그래핀 양자점과 산화 그래핀 양자점으로부터 각각 파란색과 녹색 형광의 빛을 방출하는 것을 확인했는데, 이 두 종류의 양자점들은 산소 결합의 유무에 근본적 차이가 있다는 것을 밝혔다.
이와 함께 다양한 광분석 기법을 이용해 순수한 그래핀 양자점의 파란색 형광 현상이 벤젠 형태의 탄소 결합에 의한 것임을 규명하고, 산화 그래핀 양자점의 녹색 발광이 그래핀에 결합된 다양한 산소 기능기에 의한 것임을 규명했다.
서태석 교수는 “순수한 그래핀 양자점의 개발과 발광 특성 분석을 통해 기존에 뚜렷하게 설명되지 않았던 그래핀 양자점에서의 파란색 형광 빛의 원인을 밝혀냈다”고 이번 연구의 의의를 밝혔다.
KAIST 생명화학공학과 페이 리우(Fei Liu), 물리학과 장민호(제1저자) 박사과정 학생이 서태석, 조용훈 교수의 지도를 받아 수행한 이번 연구는 환경융합 신기술개발사업과 KAIST 나노융합연구소의 그래핀 연구센터 지원으로 수행됐다.
서태석 교수(왼쪽), 조용훈 교수(오른쪽)
2013.08.07 조회수 16240 -
양자점 기반 단파장 초고속 양자 광원 개발
- 나노 오벨리스크 구조 위에 양자점을 형성해 고효율 단광자 광원 개발 -- 단파장 가시광선 대역에서 작동하는 초고속 반도체 양자 광원 연구 -
우리 학교 물리학과 조용훈 교수팀은 오벨리스크 모양의 나노 구조물을 만들고 꼭대기 부분에 높은 신뢰도를 갖는 반도체 단일 양자점을 형성해 초고속 고효율 단광자 방출을 구현하는데 성공했다.
연구결과는 네이처(Nature)가 발행하는 "사이언티픽 리포트(Scientific Reports)" 7월 5일자 온라인판에 게재됐다.
반도체 양자점은 전자를 수 나노미터 크기에 3차원적으로 구속해 불연속적인 에너지 준위를 갖는 원자와 유사한 특성을 나타낸다. 이 성질을 이용하면 차세대 양자정보 통신, 양자 암호의 핵심 구성 요소인 양자광원을 개발할 수 있다.
특히, 반도체 양자점의 경우 높은 구동 온도, 안정성, 빠른 광자 방출, 전류 구동 가능성과 같은 많은 장점을 가지고 있어 차세대 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
그러나 기존의 자발 형성 양자점의 경우, 평면 구조 안에 양자점들이 높은 밀도로 묻혀 있어 단일 양자점 하나의 특성을 파악하기 어렵고 광자 방출 효율이 매우 제한돼 있는 한계가 있다. 또 구성하는 층 사이의 응력으로 인한 내부 전기장 효과 때문에 전자와 정공 사이의 재결합이 어려워 내부 양자 효율이 낮은 문제가 있었다.조 교수 연구팀은 단파장의 빛을 내는 넓은 띠구조를 갖는 질화물 반도체를 이용해 오벨리스크 형태(뾰족한 팁 모양)의 나노 구조를 제작했다. 그 위에 얇은 활성층 구조를 다시 성장해 나노 팁 끝에 단일 양자점을 위치시키는데 성공해 스펙트럼 폭이 매우 작은 에너지 준위에서 발생하는 초고속 단광자 특성을 확인했다.
이 같은 독특한 나노 구조를 활용하면, 패터닝 등의 공정 없이도 단일 양자구조를 얻기가 쉽고, 양자점에서 생성된 빛이 외부로 쉽게 빠져나올 수 있다는 장점이 있다.
이와 함께 연구팀은 박막 형태와는 달리 오벨리스크 형태의 나노구조의 경우 응력을 크게 감소시켜 내부 전기장 효과도 상쇄돼 내부 양자 효율이 크게 증가하는 현상을 밝혔다.
이번에 개발된 양자광원은 발광파장이 기존 장파장 적외선 대역이 아닌 단파장 가시광(400nm) 대역이기 때문에 자유 공간에서의 통신에 사용이 가능하고 광자 검출 효율이 높은 가시광 대역의 검출기를 사용할 수 있다.
조용훈 교수는 “기존의 양자점 성장 방식과는 달리 비교적 쉽게 단일 양자점을 형성하여 제어할 수 있고, 이를 통해 매우 빠른 단일 광자 생성이 가능해 실용적인 양자광원 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”며 “오벨리스크 형태 나노구조의 특성 상 손쉽게 분리 및 다른 기판과의 결합이 가능해 단일 칩 양자 광소자 제작에도 활용될 수 있다”고 말했다.
KAIST 물리학과 조용훈 교수 지도아래 김제형(제1저자), 고영호(제2저자) 박사과정 학생이 주도적으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 WCU 사업의 지원으로 수행됐다.
그림1. (왼쪽) 프랑스 파리에 위치한 오벨리스크 사진. (오른쪽) 제작된 오벨리스크형 나노 구조의 전자현미경 이미지.
그림2. (왼쪽) 오벨리스크형 나노구조와 기존 평면 박막 구조에 내재된 양자점을 비교한 개념도. (오른쪽) 오벨리스크 나노구조 끝에 형성된 단일 양자점에서 방출되는 좁은 선폭의 스펙트럼과 광원의 양자화 정도와 빠른 단광자 방출 속도를 나타내는 2차 광자 상관 관계 그래프.
2013.07.22 조회수 18054