태양전지에 적용되는 콜로이드 양자점

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-08

중국 연구진은 콜로이드 양자점을 이용해서 새로운 태양전지를 만드는데 성공했다. 콜로이드 양자점은 양자 크기 효과에 의해서 밴드갭이 조정 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 콜로이드 양자점은 용액 합성이 가능하며 또한 반도체 나노결정으로 공정처리가 가능하다. 콜로이드 양자점은 쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Queisser limit)를 넘어서는 광대역 태양광 스펙트럼을 수집할 수 있다. 또한 제조비용이 저렴한 동시에 고효율 태양전지에 적합한 소재로 매우 매력적인 차세대 태양전지 소재로 많은 주목을 받고 있다. 콜로이드 양자점은 다중 액시톤 생성(exciton generation)에 매우 유망하면서 탠덤(tandem)이나 다중 접합 방식이 가능하여 그 활용 가능성이 매우 넓다. 연구진은 이번 연구를 통해서 양자점 이종접합(heterojunction) 태양전지의 새로운 개념을 소개하고 있다. 중국 화중과기대학교(Huazhong University of Science and Technology)와 수저우대학( Soochow University) 연구진은 잘 정렬되고 거의 단분산 형태를 지니고 있는 정방정계 Cd3P2 콜로이달 양자점을 합성하는데 성공했다. 연구진은 PbS 콜로이달 양자점과 Cd3P2 양자점을 결합하여 양자점 이종접합 태양전지를 완성했다. n형을 띠고 있는 PbS와 n형을 띠고 있는 Cd3P2 각 레이어는 양자 조절이 가능하며 또한 용액으로 합성이 가능하여 광 흡수제로의 기능을 할 수 있다. Cd3P2는 0.55eV의 좁은 직접 밴드갭을 가지고 있는 II-V 반도체이며 18나노미터의 넓은 엑시톤 보아 반경을 가지고 있다. 이는 양자점 구속 크기 영역 내에서 넓게 조절이 가능한 원인이 되고 있다. 그 결과로 기존의 CdX와 PbX로 대변되는 II-VI와 IV-VI 반도체와 비교되는 매우 우수한 특성으로 인식된다. 연구진은 n형 Cd3P2 콜로이달 양자점 박막을 만들기 위해서 불활성 환경에서 할로겐 처리를 했다. 연구진은 양자점 크기를 조절하여 p형 PbS의 에너지 밴드를 정렬할 수 있었다. 이를 통해서 밴드갭을 조절하게 되었다. 이는 매우 효율적인 광흡수 및 전하 분리를 가능하게 만드는 원인이 될 수 있다. 이번 소자는 n 레이어에 확장된 공핍층을 가지고 있다. 이는 향후 소자의 p 레이어에 도핑을 통해서 그 특성을 크게 증가시킬 수 있다는 것을 보여준다. 이를 통해서 광전류 특성을 최적화할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 연구진은 그 효율성이 1.5%에 이르는 것을 확인했다. 이번 연구는 양자점 접합 태양전지 개념의 다양성을 보여주는 새로운 결과이다. 또한 콜로이달 양자점 광 전자소자의 새로운 자유도에 대한 가능성을 보여주고 있다. 이번 연구는 저널 Nanotechnology에 소개되었다. 그림. PbS/Cd3P2 콜로이달 양자점 이종접합 태양전지의 구조 및 광전류 특성을 보여주고 잇다. figure1.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/lab/59757