페로브스카이트 양자점 저비용 고효율 생산 공정 개발

차세대 태양전지의 핵심소재인 ‘페로브스카이트 양자점’의 생산 비용을 대폭 줄일 수 있는 고효율 공정이 개발됐다. 양자점의 대량생산화를 앞당길 수 있는 기술로 기대된다.

한양대는 장재영 에너지공학과 교수팀이 최근 대기 중 저온합성 공정으로 합성된 금속 할라이드 페로브스카이트 양자점과 이를 활용한 태양전지를 개발했다고 7일 밝혔다.

양자점(Quantum Dot)은 초미세 반도체 입자로 넓은 영역의 빛을 흡수하는 차세대 태양전지의 핵심 소재다. 페로브스카이트(Perovskite) 양자점 태양전지는 양자점 태양전지 중 가장 효율이 높은 것으로 알려져 있다.

기존의 페로브스카이트 양자점 합성 온도는 비교적 높은 섭씨 160 도 이상이며 진공공정과 비활성기체가 필요하기 때문에 생산 과정에서 많은 전력이 필요하다. 섭씨 80도 이하의 저온 및 대기 중 공정을 채택할 경우 생산에 필요한 전력은 절감할 수 있지만 합성된 페로브스카이트 양자점이 세척 공정 중 쉽게 분해되어 안정성과 수율이 떨어진다는 한계가 있다.

장 교수팀은 페로브스카이트 양자점을 저온에서 합성한 뒤에 수율과 안정성이 떨어지는 원인이 합성 후 남아 있는 불순물 때문임을 밝혀냈다. 이를 해결하기 위해 사전원심분리 공정을 도입하여 합성된 양자점을 불순물로부터 빠르게 고립시켜 안정성을 유지할 수 있었다. 이로 인해 대기 중 저온 합성한 페로브스카이트 양자점의 높은 안정성과 수율을 확보하게 되었다. 본 기술이 상용화될 경우 페로브스카이트 양자점의 생산비용을 30배가량 절감할 수 있을 것으로 예상된다.

공동연구팀은 이에 더하여 손쉽게 페로브스카이트 양자점의 조성을 조절할 수 있으며 합성 온도를 더욱 낮춘 원 포트(one pot) 합성공정을 개발하였다. 이를 통해 11.58%의 전력변환효율을 보이는 양자점 태양전지를 제작했는데 이는 섭씨 60 도 이하의 온도에서 합성한 양자점으로 제작한 태양전지 중 최고의 효율이다.

이에 따라 기존의 고온과 진공공정을 수반한 합성방법 뿐만 아니라 대기 중 저온합성 공정을 통해서도 고성능의 광전소자를 제작할 수 있음을 증명하였다.

이번 연구에서 개발된 페로브스카이트 합성법은 진공공정이 필요하지 않기 때문에 전력소모를 획기적으로 줄일 수 있으며 반응기 용량 제한이 없다는 점에서 한 번의 공정으로 많은 양의 양자점을 생산 할 수 있기에 양자점 대량생산에 한 걸음 나아가게 되었다.

장 교수는 “신규 합성법 및 세척공정 개발을 통해 페로브스카이트 양자점의 수율과 안정성을 획기적으로 높였다”며 “이번 연구는 양자점 대량생산 공정 개발의 이정표가 될 것”이라고 밝혔다.

해당 연구 결과는 화학 및 환경 공학 분야 세계적인 권위지인 「Chemical Engineering Journal」지에 2월호에 두 편이 연달아 게재되었다.

이 두 편의 연구는 (논문명 : Facile low-energy and high-yield synthesis of stable α-CsPbI3 perovskite quantum dots: Decomposition mechanisms and solar cell applications 및 Facile low-energy and open-air synthesis of mixed-cation perovskite quantum dots for high-performance solar cells) 화학 및 환경 공학 분야 세계적인 권위지인 「Chemical Engineering Journal」지 2월호에 연달아 게재됐다.

[사진자료1] 한양대 장재영 에너지공학과 교수

[사진자료2] 한양대 양한솔 박사

[사진자료3] 페로브스카이트 양자점 공정 모식도

[사진자료4] 페로브스카이트 양자점 및 태양전지 모식도