공액 고분자 리간드 도입을 통한 양자점 결정 배열 제어 및 전하 수송 향상으로 실용화 앞당겨
서울시립대학교(총장 원용걸) 화학공학과 김민 교수 연구팀(제1저자 윤태오·샤바즈 알람·백도훈)이 한양대 장재영 교수, 충남대 이재원 교수 연구진과 공동으로 수행한 연구 논문이 'Conjugated Polymer-Driven Compact Crystal Packing and Efficient Charge Transport in Perovskite Quantum Dot Solar Cells'의 제목으로 세계적 권위의 나노 과학 및 재료 공학 학술지 Small에 Frontispiece으로 게재됐다 (IF 12.1, JCR상위 8.7%).
공동연구팀은 에틸렌 글리콜 측쇄를 가진 신개념 공액 고분자 리간드를 설계해, 페로브스카이트 양자점(PQD) 표면과 강력히 상호작용 하면서 고분자 주쇄의 결합을 통해 양자점의 결정 배열을 정밀 제어하는 전략을 구현했다. 연구 결과, 이 공액 고분자가 양자점 표면의 결함을 효과적으로 안정화시키면서 동시에 양자점 간 밀집 배열과 양자점 사이의 전자 결합을 증대시켜, 전하 수송 경로를 획기적으로 개선할 수 있음을 규명했다.
기존의 절연성 리간드와 달리, 연구팀이 개발한 공액 고분자는 표면 패시베이션과 결정 배열 제어라는 두 가지 핵심 기능을 동시에 수행한다. 특히 공액 고분자는 알콕시 측쇄의 평면 구조로 인해 우수한 패킹 밀도를 보이며, 수직적 분자 배향 제어를 통해 전하 수송을 극대화했다.
태양전지 성능 측면에서, 연구팀은 이 공액 고분자 리간드를 적용한 PQD 태양전지에서 전력 변환 효율(PCE)이 기존 효율에서 10% 이상 크게 향상되는 것을 확인했다. 더욱 주목할 만한 점은 소자 연속 구동 환경에서 850시간 후에도 초기 효율의 85% 이상을 유지하는 탁월한 장기 안정성을 달성했다는 것이다.
김민 교수는 "공액 고분자만으로 양자점의 결정 배열과 전하 수송을 정교하게 제어할 수 있음을 보여준 연구 성과"라며, "고효율·고안정성 페로브스카이트 양자점 태양전지의 실용화를 앞당기는 핵심 전략을 제시한 중요한 연구 결과"라고 밝혔다.
이번 연구는 서울시립대, 한양대, 충남대 간 협업 연구로 수행되었으며, 차세대 광전자 소자를 위한 양자점 태양전지의 대량 생산 및 상용화 가능성을 제시함과 동시에, 고분자 기반 표면 공학을 통한 나노결정 조립 제어라는 새로운 연구 방향을 열었다는 점에서 더욱 의미가 깊다.
본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF)의 신진연구 과제의 지원을 받았다.