한양대학교는 고민재 교수와 한국과학기술슬롯 무료체험원(KIST) 유형근 박사 공동슬롯 무료체험팀이 저렴한 이산화주석(SnO₂) 소재에 표면 처리 기술을 적용해 황화납(PbS) 양자점 태양전지의 광전변환효율을 세계적 수준으로 끌어올렸다고 18일 밝혔다.
양자점은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정으로, 크기에 따라 광전기적 특성이 달라진다. 특히 PbS 양자점은 적외선 영역까지 빛을 흡수·발광할 수 있어 태양전지, 적외선 카메라, 라이다(LiDAR), 바이오 이미징 등 차세대 광전자 소자에 폭넓게 응용된다. 그러나 전자수송층 소재로 주목받아 온 이산화주석은 기존 산화아연(ZnO)에 비해 성능이 낮아 활용이 제한됐다.
연구팀은 그 원인이 SnO₂ 표면에서 양성자 방출로 인한 양자점 표면 리간드 탈락과 납 산화 등 ‘계면 열화 반응’임을 규명하고, 카복실기(-COOH)와 싸이올기(-SH)를 동시에 지닌 분자로 표면을 처리하는 ‘표면 패시베이션’ 기술을 도입했다. 이를 통해 유해 반응을 억제하고 전하 추출 효율을 개선해, 태양전지에서 광전변환효율 12.7%를 달성했다. 이는 ZnO 기반 장치(10.4%)보다 크게 향상된 수치다. 또한 무봉지 상태에서 100일 이상 초기 효율의 90%를 유지하며 안정성도 입증했다.
고민재 교수는 “이번 연구는 저렴한 이산화주석을 고성능 양자점 소자에 활용할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 크다”며 “페로브스카이트·유기 태양전지는 물론, 양자점 기반 적외선 센서, 광통신 모듈, 라이다 시스템 등 다양한 차세대 광전자 소자에 폭넓게 활용될 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 지원으로 수행됐으며, 성과는 에너지·화학 분야 국제 저명 학술지 『ACS Energy Letters』에 8월 8일 표지논문으로 게재됐다. 논문은 한양대 김우연 연구원과 KIST 임찬우 연구원이 공동 제1저자로, 한양대 고민재 교수와 KIST 유형근 박사가 교신저자로 참여했다.