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▲ MXene의 표면개질 여부에 따른 양자점 태양전지 잉크 유기용매 분산성 비교. 1. 양자점 태양전지의 잉크 공정에는 부틸아민 (BTA)가 사용된다. 2. 기존의 순수 MXene은 수인성 특성을 가져 BTA 분산이 어려운 반면, 폴리카테콜(PCA)로 표면개질된 MXene은 BTA에 균일하게 분산된다.
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뛰어난 전기전·열적·기계적 특성을 가지고 있어 다양한 응용 분야에서 주목받고 있는 유기분산 신소재인 'MXene'로 양자점 태양전지의 효율성과  안전성을 동시에 높일 수 있는 신기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이로써 다양한 전자 소자의 성능 향상이 기대된다.

DGIST(대구경부과학기술원, 총장 국양)는 28일 "에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 유기분산 MXene(이산화티타늄(Ti)와 탄소(C)로 이루어진 2차원 소재) 소재를 도입해 양자점 태양전지의 효율을 크게 향상 시킬 수 있는 기술을 개발했다"고 밝혔다. 

DGIST에 따르면, 양자점 태양전지는 최근 급격한 발전을 이루어왔으나 여전히 광 흡수물질과 정공 전달물질 간의 에너지 수준이 적절하기 배치되지 않는 에너지레벨 정렬 불일치와 표면에 금이 가는 크랙 문제로 성능이 제한되고 있다. 

특히, 에너지레벨 정렬 불일치는 전하를 효율적으로 추출하지 못하게 해 태양전지의 성능을 크게 저하시키는 단점을 드러냈다. 
 

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▲ MXene이 적용된 양자점 태양전지 그림 및 소자 전류밀도-전압 그래프 비교. 1. MXene 이 광흡수 층에 도핑되고 계면물질로 적용된 양자점 태양전지 그림 / 2. MXene 여부에 따른 양자점 태양전지 전류밀도-전압 그래프 비교
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이에 최종민 교수 연구팀이 이 문제를 해결하기 위해 양자점 태양전지에 2D 구조의 MXene 소재를 도입하는 기술을 개발했다. 

우선 연구팀은 유기용매 분산성이 뛰어난 폴리카테콜을 MXene 소재 표면에 결합시켜 양자점 잉크 공정에 MXene을 적용할 수 있도록 했다. MXene의 도입으로 양자점 박막이 높은 페르미 레벨을 형성, 양자점의 전하 재배치가 이루어져 에너지레벨 정렬 불일치 문제를 해결했다.

그러면서 2D구조 MXene은 소자 내부 금속 침투를 막아주어 광전화 효율을 12.8%에서 13.6%로 향상시키고, 열 안정성도 약 30% 향상시키는 결과를 얻어냈다. 

최종민 교수는 "이번 연구를 통해 양자점 태양전지의 효율을 향상할 수 있는 방법을 개발했을 뿐 아니라 MXene을 차세대 양자점 전자소자에 응용할 수 있는 아이디어를 제시한다"면서 "향후 연구를 통해 양자점 태양전지의 효율뿐 아니라 안정성 향상을 위한 표면 안정화 기술을 개발하고자 한다"고 포부를 전했다. 

한편, 이번 연구는 한국교통대학교 인인식·안태규 교수 연구실과 공동연구를 통해 진행됐으며, 한국연구재단 '기본연구 사업'의 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 DGIST 유형렬 석·박사통합과정생이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지 <Advanced Energy Materials>에 10월 6일자로 온라인 게재됐다. 
 

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▲  사진 왼쪽부터 에너지공학과 최종민 교수, 유형렬 석박사통합과정생
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