입력 2025.12.15 10:20
- 공액 고분자 리간드로 양자점 결정 배열 제어 및 전하 수송 향상으로 실용화 앞당겨
서울시립대학교(총장 원용걸) 화학공학과 김민 교수 연구팀(제1저자 윤태오·샤바즈 알람·백도훈)이 한양대학교 장재영 교수, 충남대학교 이재원 교수 연구진과 공동으로 수행한 연구 논문 ‘Conjugated Polymer-Driven Compact Crystal Packing and Efficient Charge Transport in Perovskite Quantum Dot Solar Cells’이 세계적 권위의 나노 과학 및 재료 공학 학술지 Small(IF 12.1, JCR상위 8.7%)에 Frontispiece로 게재됐다.
공동연구팀은 에틸렌글리콜 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. 이를 통해 공액 고분자가 양자점 표면의 결함을 효과적으로 안정화하는 동시에 양자점 간 밀집 배열과 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 유지해 우수한 장기 안정성을 입증했다.
김민 교수는 “공액 고분자만으로 양자점의 결정 배열과 전하 수송을 정교하게 제어할 수 있음을 보여준 연구 성과”라며, “이번 연구는 고효율·고안정성 페로브스카이트 양자점 태양전지의 실용화를 앞당기는 핵심 전략을 제시한 중요한 연구 결과”라고 밝혔다.
이번 연구는 서울시립대, 한양대, 충남대 간 협업 연구로 수행됐으며, 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 크다.
본 연구는 과학기술정보통신부 및 한국연구재단(NRF)의 신진연구 과제의 지원을 받아 수행됐다.