적외선 감응 양자점 태양전지 효율 및 안정성 향상을 위한 소재 개발에 관한 연구

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적외선 감응 양자점 태양전지 효율 및 안정성 향상을 위한 소재 개발에 관한 연구
제안자 최종민
자문교원 최종민
연도 2020
타입 A형 과제
코스 장영실
매칭여부 Yes
참여학생수 5
소개동영상

제안 배경

최종민.png

 그림 1. 실리콘, 페로브스카이트, 양자점의 광흡수 영역 및 그에 따른 광전류 값 그래프
  • 현재 광흡수 물질로 가장 크게 주목 받고 있는 실리콘, 페로브스카이트 물질 기반 태양전지는 최대 광흡수 영역이 1100 nm 적외선 이하 파장으로 제한되어 약 50% 이상의 태양에너지 손실이 있음 (참고문헌 1, 그림 1).
  • 이에 반해 입자 크기에 따라 선택적으로 빛 흡수 및 발광 파장을 조절할 수 있는 재료인 양자점의 경우, 나노입자 크기 조절에 따라 약 2000 nm 이상의 적외선 영역 광흡수가 가능하고, 용액공정으로 제조가 용이하다는 장점이 있음.
  • 궁극적으로 태양전지의 효율 향상을 위해서는 전 영역의 빛을 흡수하여야 하고 이를 위해서는 기존의 실리콘 또는 페로브스카이트 재료의 좁은 광흡수 영역을 보완해 줄 수 있는 고 기능성 및 고 안정성을 가진 적외선 양자점 소재 및 관련 계면 물질 개발에 관한 연구가 필수적임.

과제 목표

  • 산소, 빛, 열에 안정한 양자점 및 계면 물질을 개발하여 고 안정성 및 고 효율 양자점 태양전지 구현 및 향후 다층 구조 태양전지 (multi-junction solar cell)에 적용 가능한 소재 원천 기술을 개발하는 것이 목표임.

과제 내용

최종민1.png

  그림 2. 고 안전성 및 효율 양자점 소재 개발을 위한 연구 추진 전략 및 방법에 관한 모식도

현재 양자점 태양전지에서 가장 높은 효율을 보이고 있는 양자점 소재는 용액 공정 리간드 치환 반응 기반 PbS 양자점 잉크로 약 11.3% 광전 변환 효율이 보고된 바 있음 (참고문헌 1).

  • PbS 양자점 잉크의 경우 공기중에서 약 1000 시간 동안 90% 이상 초기 광전 변환 효율을 유지할 수 있음이 보고되었지만 (참고문헌 2), 최근 연구결과에 따르면 태양전지의 실제 구동 조건인 Maximum power point (MPP) 측정에서는 PbS 양자점 잉크 기반 양자점 태양전지의 경우 46시간만에 소자 효율이 88%로 감소하는 것이 보고되었음 (참고문헌 3). 본 MPP 측정은 습도 및 온도 조건을 무시할 수 있는 질소(N2) 환경에서 측정한 것으로 공기중에서 MPP를 측정한다면 실제 소자 효율을 더 크게 감소할 수 있음.
  • 따라서 양자점 태양전지의 상용화를 위해서는 실제 구동 조건인 공기 중 MPP 측정 조건에서 안정적인 소자 효율을 확보하는 것이 필수적임. 하지만 현재 PbS 양자점 태양전지의 MPP 측정 조건에서 소자 효율 감소 원인에 대한 연구 결과는 전무한 실정임.
  • 본 연구에서는 MPP 측정 조건에서 양자점 태양전지의 효율 감소 원인을 빛, 열, 습도 안정성 평가 등의 체계적인 실험을 통해 분석하여 그 근본 원인을 규명하고자 함.
  • 아울러 양자점의 안정성 향상을 위하여 MPP조건에서도 안정한 Passivation 물질 탐색 및 도입에 관한 연구, 고온에서도 양자점 혼성화를 방지할 수 있는 리간드 도입 연구, 양자점 혼성화 방지 및 전하 전달 능력 향상을 위한 Shell 도입, 새로운 계면 물질 도입 등의 연구를 통해 다양한 방법으로 양자점의 안정성을 높일 수 있는 방법을 모색하고 태양전지 소자 특성 평가를 통해 최적의 방법을 찾고자 함.
  • 최종적으로 본 연구를 통해 1차적으로는 광전 변환 효율 12% 이상, 공기중 MPP 측정 조건에서 90% 이상 초기 광전 변환효율을 유지하는 양자점 태양전지 소자를 구현하고자 함.

참고자료

  1. . A. H. Ip, A. Kiani, I. J. Kramer, O. Voznyy, H. F. Movahed, L. Levina, M. M. Adachi, S. Hoogland, E. H. Sargent, ACS Nano 2015, 9, 8833.
  2. . M. Liu, O. Voznyy, R. Sabatini, F. P. Garcia de Arquer, R. Munir, A. H. Balawi, X. Lan, F. Fan, G. Walters, A. R. Kirmani, S. Hoogland, F. Laquai, A. Amassian, E. H. Sargent, Nat. Mater. 2017, 16, 258.
  3. . X. Zhang, J. Zhang, D. Phuyal, J. Du, L. Tian, V. A. Öberg, M. B. Johansson, U. B. Cappel, O. Karis, J. Liu, H. Rensmo, G. Boschloo, E. M. J. Johansson, Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702049.

희망학생

김한결, 김자영, 한대훈, 박병찬