팔로우 토토학교 고민재 교수와 한국과학기술연구원(KIST) 유형근 박사 공동연구팀이 저렴한 이산화주석(SnO₂) 소재에 표면 처리 기술을 적용해 성능 한계를 극복하고, 황화납(PbS) 양자점 태양전지의 광전변환효율(PCE)을 세계 최고 수준으로 구현했다고, 18일 밝혔다.

양자점은 수 나노미터(nm) 크기의 반도체 결정으로, 입자 크기에 따라 광전기적 특성을 자유롭게 조절할 수 있다. 특히 PbS 양자점은 적외선 영역까지 빛을 흡수·발광할 수 있어 △태양전지 △적외선 카메라·야간투시경 △광통신 모듈·라이다(LiDAR) △의료·바이오 이미징 장치 등 다양한 차세대 광전자 소자에 응용된다. 이때 빛으로 생성된 전자를 효율적으로 수집·이동시키는 전자수송층의 성능은 핵심 요소다.

이산화주석은 높은 투명도와 전기전도성을 지녀 전자수송층 소재로 주목받았으나, 양자점 소자에서는 산화아연(ZnO)보다 낮은 성능을 보여 활용이 제한됐다. 연구팀은 그 원인이 SnO₂ 표면에서 발생하는 양성자(H⁺) 방출로 인한 양자점 표면 리간드 탈락과 납 산화 등 ‘계면 열화 반응’임을 규명했다.

이를 해결하기 위해 연구진은 카복실기(-COOH)와 싸이올기(-SH)를 동시에 지닌 분자로 SnO₂ 표면을 처리하는 ‘표면 패시베이션(surface passivation)’ 기술을 도입했다. 그 결과 유해 반응이 억제되고 전하 추출 효율이 향상돼, 태양전지에서 광전변환효율 12.7%를 달성해 기존 ZnO 기반 장치(10.4%)를 크게 웃돌았다. 또한 무봉지 상태에서도 100일 이상 초기 효율의 90%를 유지해 탁월한 안정성을 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 전했다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 에너지·화학 분야 국제 저명 학술지 『ACS Energy Letters(IF=18.2)』에 8월 8일 표지논문으로 게재됐다. 해당 논문 「Suppressing Interfacial Deprotonation of Metal Oxides for Efficient PbS Quantum Dot Photovoltaics」는 한양대 김우연 연구원과 KIST 임찬우 연구원이 공동 제1저자로, 한양대 고민재 교수와 KIST 유형근 박사가 교신저자로 참여했다.