정병국 교수 연구팀, 친환경 InP 양자점-고분자 복합체 기반 고안정성 컬러태양전지 개발

? 햇빛을 색으로 바꾸는 도심형 컬러 태양전지 기술

부산대 연구팀은 친환경 InP 양자점과 고분자 복합체를 활용해, 높은 안정성과 우수한 광변환 효율을 갖춘 광변환층을 개발했습니다.

이번 기술은 자외선 및 청색광과 같은 고에너지 빛을 보다 효율적인 장파장으로 전환하는 LDS(Luminescent Down-Shifting) 층을 적용함으로써, 태양광 스펙트럼 활용 범위를 넓혔습니다.

차세대 디스플레이 소재로 각광받는 양자점 소재를 적용하여 도시 미관을 해치지 않으면서도 발전 효율을 높이고 심미성을 높인 컬러 태양전지를 구현하여 차세대 건물일체형 태양전지(BIPV)용 에너지 솔루션으로 주목받고 있습니다.

【친환경 InP 양자점-고분자 복합체 기반 고안정성 컬러태양전지 개발 ? 햇빛을 색으로 바꾸는 도심형 컬러 태양전지 기술】

화공생명공학과 정병국 교수 연구팀이 양자점-고분자 복합체를 이용한 새로운 형태의 컬러 태양전지를 개발했다.

이번 연구는 싸이올-엔(thiol?ene) 가교결합을 기반으로 하는 투명 아크릴 수지 매트릭스 내에서 양자점을 안정화시키는 방식을 도입하여 양자점을 활용한 컬러 태양전지의 안정성을 한단계 끌어올린 것으로 평가된다.

연구팀은 새롭게 개발한 양자점-고분자 복합필름을 실리콘 태양전지 위에 적용하고, 고온다습(85?°C/85% 습도) 환경에서 500시간 이상 안정성을 유지하는 것을 실험적으로 확인했다. 또한, 빨강·초록 양자점을 이용해 고투과성(>90%)을 유지하면서도 컬러 구현이 가능함을 증명했고, 전력변환효율(PCE)의 저하가 5% 미만으로 억제되는 우수한 내환경성을 입증했다.

특히 이번 연구는 유해 중금속 없이도 광변환과 색상 표현이 가능한 컬러 태양전지 구현을 가능하게 했다는 점에서 의미가 크며, BIPV 적용을 위한 실제 공정 호환성과 대면적 가공성까지 확보했다. 본 연구결과는 향후 다양한 건축 외장재형 BIPV 및 도시형 에너지 솔루션에 바로 적용될 수 있는 차세대 태양전지 핵심 기술로 기대된다. 이번 논문은 김건우 연구원이 제1저자, 정병국 교수가 교신저자로 참여하였으며, 서울과학기술대·성균관대·홍익대 등의 공동 연구로 진행됐다.

논문 제목: ‘Stable Colored Photovoltaics with Thiol?Ene Crosslinked InP/ZnSe_xS_{1 ?x} /ZnS Quantum Dot­Polymer Downshifting Layers’ 라는 제목으로 국제 학술지 Small Structures 온라인 4월 17일자에 게재됐다.

논문 링크: https://doi.org/10.1002/sstr.202400651

해당 연구는 한국연구재단 지원(글로벌선도연구센터, 함께달리기, 석사과정연구장려금) 및 한국산업기술진흥원 지원, 부산대학교 연구지원 등을 받아 수행됐다.

[Absract]

Building integrated photovoltaics (BIPVs) combine building materials and PV cells to support net zero energy buildings and maintain aesthetics. Quantum dot-luminescent downshifting (QD-LDS) technology can improve BIPV performance by converting barely harvested ultraviolet light into wavelengths that correspond to the high-efficiency range of the device, using environmentally benign materials such as indium phosphide (InP) QDs. Despite their potential, InP QDs face photochemical instability against outdoor environments. To address this issue, an approach is demonstrated to formulate polymer composites with InP QDs using thiol?ene bonds, forming a crosslinked network with a transparent acrylate resin. The polymer composite shields the QDs from environmental factors, enhancing stability without deteriorating transmittance. The formulation of QD-polymer composite enables to integrate the QD-LDS layer into various dimensions with high degree of freedom for efficient and pleasant applying BIPV. Colored PV utilizing QD-LDS layer demonstrates potential for developing highly efficient and stable BIPV modules, paving the way for innovative and sustainable energy solutions.

- Authors (Pusan National University): Keon Woo Kim, Prof. Byeong Guk Jeong (School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Stable Colored Photovoltaics with Thiol?Ene Crosslinked InP/ZnSe_xS_{1 ?x} /ZnS Quantum Dot-Polymer Downshifting Layers

- Journal: Small structures

- Web link: https://doi.org/10.1002/sstr.202400651

- Contact email: bgjeong@pusan.ac.kr