양자점, 태양전지에도 이용된다고?

양자점, 태양전지에도 이용된다고?

대학생신재생에너지기자단 21기 김채윤

 

노벨화학상 수상자 유출 사건? 

2023년 10월 5일, 올해의 노벨 화학상 수상자로 양자점을 발견한 3명의 과학자가 선정됐다. 이날 화학상 수상자는 기존 공식 발표 시간보다 2시간 40분 전에 명단이 유출되는 해프닝이 있어 이목을 끌었다. 123년의 노벨상 역사상 수상자가 유출된 것은 처음이었기 때문이다. 하지만 유출에도 불구하고 수상자는 이변 없이 양자점 연구진에게 돌아갔다. 양자점을 이용하면 반도체를 나노 크기의 입자로 만들어 같은 재료로도 여러 색의 빛을 낼 수 있다. 기존 디스플레이로 사용되던 발광다이오드(LED)보다 다양한 색을 낼 수 있어 디스플레이 산업에서의 영향력이 클 것으로 예상된다. 양자점(Quantum dot, QD)의 재료가 되는 무기물은 기존 유기발광다이오드(OLED)에 쓰이는 유기물보다 가격이 저렴하고, 수명이 길고 색의 선명도도 훨씬 우수한 편이다. 양자점이 다양한 색을 낼 수 있는 이유는 입자의 에너지 밴드갭이 달라지면서 흡수한 빛과 방출하는 빛의 파장이 달라지기 때문이다. 이런 특징을 활용하면 디스플레이뿐 아니라 의료분야, 광감지기, 태양전지 등의 다양한 분야에도 응용이 가능하다. 이번 기사에서는 이처럼 그 가능성을 인정받아 노벨상 목록에 오른 양자점 기술의 태양전지 분야 응용을 지금까지의 양자점 태양광 R&D의 발전사를 따라가며 소개하고, 앞으로 남은 R&D 방향에 대해 알아보려 한다.

[자료 1. 2023년 노벨화학상 공동수상자 ]

출처 : 동포투데이

 

양자점이 뭐길래 

우선 양자점을 이해하기 위해서는 우선 밴드갭 이론과 exciton에 대해 알아보아야 한다. 원자 혹은 수십 개의 원자로 구성된 분자는 여러 개의 오비탈(전자의 궤도)로 구성된 불연속적인 에너지 준위를 가지고 있으며, 이를 양자화(quantized)되어 있다고 말한다. 많은 원자들이 모여 고체를 이룬다면 오비탈의 개수는 수없이 늘어나고 각 오비탈의 에너지 준위차는 점점 작아져 연속적인 밴드를 형성한다. 이 밴드에서 전자가 존재할 수 있는 가장 높은 에너지 준위를 valence band(VB), 가장 낮은 에너지 준위를 conduction band(CB)라고 한다. 그리고 이 두 밴드 사이의 크기를 밴드갭(bandgap)이라고 한다.

[자료 2. Bandgap 이론과 exciton]

출처 : 삼성 디스플레이

위 자료 2번은 절대온도 0K에서 VB는 전자로 완전히 채워져 있고, CB는 완전히 비어 있는 상태이다. 만약 전자가 충분한 에너지를 얻어 밴드갭을 뛰어넘게 되면 전자가 있던 자리는 구멍이 남듯 hole이 남게 된다. 여기서 입자 반지름이 특정 반지름보다 작거나 같을 때, 전자와 hole이 약한 결합을 형성하게 되는데 이 결합 상태를 바로 엑시톤(exciton)이라 부른다.

반도체 물질은 각각 엑시톤을 형성하는 특정한 반지름을 가진다. 여기서 반도체의 크기가 엑시톤의 평균 거리보다 작으면 엑시톤이 ‘박스에 갇힌다’고 표현하는데 이를 양자점이라고 부르고, 이때 전자의 움직임이 구속되는 것을 ‘양자 구속 효과’라고 한다. 쉽게 말해 반도체 입자가 나노 단위로 작아지면 전자와 hole이 일정 거리 이상 떨어질 수 없으므로 갇히게 된다. 

 

양자점과 태양전지 

exciton과 양자점의 원리를 설명한 이유는 반지름의 크기, 즉 입자 크기에 따라 광학적 특성이 달라질 수 있다는 점을 이해하기 위해서다. 위 이론에 따르면 아주 작은 반도체에서 그 크기에 따라 밴드갭 조절이 가능해지기 때문에 입자 크기를 조절하는 것으로 빛의 흡수, 방출 정도를 조절할 수 있게 된다. 따라서 양자점의 크기를 조절하면 태양전지에서 흡수할 수 있는 파장 영역대가 늘어날 것이고 이를 이용해 태양전지의 효율을 높이는 것이 양자점 태양전지의 핵심이다.

KETEP(한국에너지기술평가원)에서 공고한 2011년도 에너지기술개발사업 에너지미래기술(원천 부문) 신규지원 대상과제 중 ‘양자점을 이용한 고효율 태양전지 개발’ REP(기술제안서)를 살펴보면 “실리콘 양자점 간의 전하 수송을 위한 고밀도의 양자점 형성뿐만 아니라 형성된 양자점의 p-n 접합을 위한 도핑 콘트롤에 관한 기술이 필요”하다고 설명했다. 간단히 말해 양자점 형성 외에도 표면을 안정화하는 기술이 있어야 태양전지의 수명이 좋아지므로 해당 기술을 확보하는 연구를 진행했다는 의미다.

[자료 3. 3가지 형태의 실리콘 양자점 태양전지 구조]

출처 : KETEP

그렇다면 2020년 이후에도 양자점 태양전지 연구는 꾸준히 진행되고 있을까. 2010년대 후반부터 실리콘의 가격 급락과 태양전지 공급의 증가로 현재 태양전지 사업은 ‘효율 향상’에 완전히 집중하고 있다고 해도 과언이 아니다. 2020년 UNIST에서는 양자점 태양전지의 소재인 무기물 반도체에 유기 고분자를 일부 접합해 효율을 높이는 연구를 진행했다. 유기 고분자로 소재를 일부 바꾸면서 전자와 hole의 운반, 분리에 유리하게 만들어 효율 향상을 꾀했다. 

2021년 한국기계연구원에서는 페로브스카이트 양자점 태양전지의 효율과 안정성 확보를 위한 연구를 진행하기도 했다. 기존 페로브스카이트 태양전지는 고온의 열처리 과정을 거쳐 결정화하는 공정이 필요한 반면 양자점 태양전지는 열처리가 필요하지 않고 기판에 뿌리거나 바르는 방식을 이용해 제조 공정이 비교적 간단하고 단가가 낮을 것으로 기대된다. 기존의 페로브스카이트 양자점은 표면적이 증가할수록 불안정하다는 문제점이 존재했는데, 이를 보완하기 위해 각기 다른 양이온으로 조성된 이중 박막 구조를 고안해냈다. 

 

남은 과제들

위 연구들에서 양자점 태양전지의 광전환효율은 10%대에 그친다. 현재 페로브스카이트 태양전지가 20%대의 효율을 바라보고 있다는 것을 감안하면 효율 면에서 더 많은 연구가 필요해 보인다. 또한 현재 페로브스카이트 상용화에 있어 가장 걸림돌인 안정성과 열에 대한 취약성을 보완하기에도 페로브스카이트 양자점 태양전지는 대안이 되지 못한다. 기사를 작성하며 최근 동향을 조사했지만 2017년 이후 페로브스카이트 BIPV 관련 R&D 외에는 적용처의 다변화를 위한 노력이 부족했다. 하지만 2011년 초 염료감응, 양자점, 집광형 태양전지 등 실리콘 태양전지에서 벗어나려는 시도가 지금까지도 조금씩 이어지고 있다는 점, 페로브스카이트 태양전지 연구 외에 원천 기술을 확보해 국가 경쟁력을 높일 수 있는 노력이라는 점에서 필자는 최근 연구 동향이 긍정적이라고 본다. 노벨 화학상이 주목받으면서 양자점이 이슈화된 지금, 각 연구진에서도 다양한 방면에서의 연구를 진행해 재생에너지 산업의 주도권을 쥐었으면 한다. 

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태양전지 에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "실리콘 태양전지를 넘어설 수 있을까? 주목할 만한 태양전지들", 11기 임형규, 손권찬, 최원창,

https://renewableenergyfollowers.org/2159

실리콘 태양전지를 넘어설 수 있을까? 주목할 만한 태양전지들

2. "태양광 발전 효율 50%가 머지않았다: 탠덤 태양전지", 23기 김태현, https://renewableenergyfollowers.org/3984

태양광 발전 효율 50%가 머지않았다: 탠덤 태양전지

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참고문헌

[노벨화학상 수상자 유출 사건?]

1) 이병철, "[2023 노벨상] 빛의 마법 보여준 양자점... 디스플레이부터 태양전지까지", 사이언스조선, 2023.10.04, https://biz.chosun.com/science-chosun/science/2023/10/04/JHETDF2QWNBPPDCFZGOQEJZ3SU/

[양자점이 뭐길래]

1) 권영수, 삼성 디스플레이, "[디스플레이 심층 탐구] QD(Quantum Dot)란 무엇일까? ①", 2020.11.27, https://news.samsungdisplay.com/25283/

[양자점과 태양전지]

1) 한국에너지기술평가원, "초고효율 실리콘 양자점 태양전지 개발 RFP", 2011.05.15,  https://www.ketep.re.kr/businessAcment/businessAcmentList.do?srch_menu_nix=aIDGohUo 

2) 오상미, 기계신문, " ‘양자점-유기 고분자 접합 태양전지’ 개발… 유기 고분자로 ‘정공’ 추출 개선 ", 2020.04.23, http://www.mtnews.net/m/view.php?idx=8260 

3) 박소연 외 1명, "고체 양이온 교환 반응을 이용한 고효율 및 공기 안정성 이종구조 페로브스카이트 양자점 태양전지", 2020 American Chemical Society , 2020.12.08, https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acsami.0c17877 

4) 서요한 외 3명, "양자점 기반 태양전지 동향", 전기전자재료 제29권 제5호, p.33~42, 2016.05, https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/originalView.do?cn=JAKO201615262489048&oCn=JAKO201615262489048&dbt=JAKO&journal=NJOU00290991