DPAI를 이용한 용액상 리간드 교환 모식도(위 왼쪽)와 태양전지 소자 구조 및 효율 그래프(위 오른쪽), 발광다이오드 소자 구조 및 효율 그래프(아래 왼쪽), 수분 침투 시뮬레이션 및 태양전지 소자 안정성 그래프. (사진=부경대 제공)

국립부경대학교와 한양대학교 공동연구팀이 차세대 태양전지와 발광다이오드(LED)를 동시에 구현할 수 있는 첨단 단일 소재를 개발했다.

부경대 물리학과 이보람 교수와 한양대 화학과 최효성 교수, 송호찬‧정우현 박사과정생 등 연구팀은 ‘페로브스카이트 나노결정 기반 잉크’를 개발하고, 연구성과를 재료과학 분야 세계적 권위 학술지인 'Advanced Materials'(IF=32.086)에 최근 발표했다.

이 연구성과를 담은 논문은 'A Universal Perovskite Nanocrystal Ink for High-Performance Optoelectronic Devices'이다.

연구팀이 개발한 첨단소재는 광활성 반도체 소재인 페로브스카이트 나노결정(PNC)을 이용해 높은 광발광효율과 안정성을 구현한 SPLE-PNC 잉크다.

차세대 태양전지, LED, 광검출기 등에 사용되는 광전자소자를 제작하기 위해서는 PNC 잉크를 한 층씩 여러 번 코팅하는 방식을 이용한다. PNC 잉크는 빛 흡수 능력이 뛰어나고 광발광효율과 색순도가 높지만, 여러 층을 코팅하는 공정을 거치면 표면결함이 발생해 광전자소자의 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 '다이페닐프로필암모늄 아이오다이드(DPAI)'라는 화합물을 사용하는 방식으로 표면결함을 억제하는 데 성공했다. 그 결과 SPLE-PNC 잉크는 박막 광발광효율이 기존 대비 37%나 높아졌다.

특히 구동방식이 반대여서 다른 잉크를 적용해야 하는 태양전지와 LED에 이 잉크를 각각 적용한 결과 태양전지의 광변환효율과 LED의 발광효율을 모두 크게 높이는 것으로 나타났다.

또 이 잉크는 한 번의 코팅만으로 필요한 두께의 박막을 형성할 수 있어 광전자소자 공정을 대폭 간소화시켰다. 이 잉크를 적용한 태양전지는 지금까지 보고된 PNC 태양전지 중 안정성도 가장 높았다.

연구팀은 이번 첨단소재 개발 기술이 차세대 태양전지, LED, 광검출기 등의 PNC 광전자소자 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 내다봤다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 기초연구사업 등의 지원으로 수행됐다.