국내 연구진이 지름 수 나노미터 크기의 초미세 결정체, 양자점^*을 이용한 태양전지^*의 독성을 없애고 효율을 크게 높였다. 무독성 ·고효율 양자점 태양전지의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
양자점 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 생산단가가 낮고 빛을 잘 흡수하지만 효율을 높이기 위해 카드뮴이나 납 같은 중금속을 광흡수체로 써 상용화에 한계가 있었다.

* 양자점(Quantum Dot, 量子點) : 나노미터 크기의 반도체 결정체로 크기에 따라 청색, 녹색, 적색 등 다양한 빛을 낼 수 있어 각종 디스플레이 소자나 조명, 태양전지, 이미징 등에 쓰일 수 있다.
* 양자점 태양전지(Quantum Dot Solar Cell) : 양자점 나노입자를 광흡수체로 이용해 태양의 빛에너지를 전력으로 변환시키는 태양전지. 빛을 흡수한 양자점에서 발생되는 광전자가 금속산화물 전극에 주입되어 외부회로로 흐르는 원리를 이용한다.

연구진은 태양 빛을 흡수하는 역할을 하는 중금속 나노입자를 무독성의 CISe 화합물^* 나노입자로 대체해 태양전지의 안전성을 높였다.
카드뮴이나 납 화합물 나노입자 양자점 대신 친환경적인 CISe 화합물 나노입자 양자점을 이산화티타늄 광전극에 넣었다.

* CISe 화합물(구리(Cu)-인듐(In)-셀레늄(Se) 화합물) : 전기가 잘 통하는 구리와 광투과성이 뛰어난 인듐, 그리고 빛을 흡수하면 전도체가 되는 셀레늄을 원료로 한 무기화합물

나아가 무독성 양자점 태양전지로는 최고의 광전변환 효율^* (8.10%)을 구현했다. 기존에도 CISe 화합물로 대체하려는 연구가 있었지만 효율면에서 중금속 기반의 태양전지에 미치지 못했다.
연구진은 전극표면에 기존 대비 2배 두께의 황화아연막을 코팅,효율저하의 주범인 전하재결합^*을 80%까지 낮춰 독성은 없애면서 중금속과 비슷한 효율을 얻을 수 있었다.
자외선 외에도 근적외선 영역(~1100 nm)까지의 태양빛도 흡수할 수 있도록 태양광 활용범위를 넓힌 것도 도움이 됐다.

* 광전변환 효율 : 특정 조건에서 태양전지에 입사된 태양광 에너지 가운데 얼마만큼 전기에너지로 변환되는지 나타내는 값
* 전하재결합(carrier recombination) : 빛을 흡수한 양자점에서 만들어진 정공과 전자가 서로 재결합해 상쇄되어 외부회로로 전류가 흐르지 못하는 원인이 된다

고민재 박사는 “기존 양자점 태양전지에서 독성 중금속 화합물 나노입자를 무독성 화합물 나노입자로 대체할 수 있음을 보여준 것으로 양자점 태양전지는 물론 양자점을 이용한 다양한 광전기화학 기기 등에 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노입자연구단(단장 현택환 서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터·고려대(총장 염재호) KU-KIST 융합대학원 고민재 박사 연구팀이 공동으로 수행한 이번 연구성과는 미국화학회가 발행하는 학술지 ACS Nano(American Chemical Society Nano, IF 12.881) 10월 2일자 온라인판에 게재됐다.

그림1. CISe 화합물 나노입자를 이용한 양자점 태양전지

그림2. 전하재결합 방지막 두께의 정교한 제어기술

그림3. 무독성 구리-인듐-셀레늄 양자점 태양전지의 전류전압 곡선