top of page

콜로이드 양자점 소재를 이용한차세대 박막태양전지 개발

김지건, 김영훈* | 국민대학교 화학과, younghoon.kim@kookmin.ac.kr


서 론


콜로이드 양자점(Colloidal quantum dots)은 수 나노 미터 크기의 반도체 나노결정으로, 결정 크기가 보어 반경(Bohr radius) 이하로 작아지면 양자제한효과(Quan- tum confinement effect) 발현에 의해 전자의 에너지 준위가 불연속적으로 양자화되는 특징을 갖는다. 이로 인 해, 양자점의 결정 크기 변화에 따라 광학 밴드갭(Optical band gap) 에너지를 조절할 수 있기 때문에 흡광 및 발 광 파장대를 손쉽게 조절할 수 있다[그림 1(a)]. 또한, 콜 로이드 양자점만이 갖는 독특하고 우수한 광학 및 전기적 특성을 갖기 때문에, 발광 다이오드, 광검출기, 태양전지 등의 다양한 광전 소자(Optoelectronic device)에 활용되고 있다. 특히, 콜로이드 양자점은 다중 여기자 생성(Multi-ple-exciton generation) 현상을 통해 태양전지의 성능 을 혁신적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있기 때 문에, 태양전지에서의 광흡수층 소재로서 크게 주목을 받 고 있다[그림 1(b)]. 최근에는, 양자점의 흡광 파장대 조절 을 통해 탠덤(Tandem) 태양전지의 하부셀로 적용함으로 써 고효율 탠덤 태양전지의 실현에도 일조하고 있을 뿐만 아니라, 가시광선 산란을 최소화할 수 있기 때문에 투명 태양전지 분야에서도 이용되고 있다. 콜로이드 양자점은 저비용의 습식화학법(Wet-chemical route)을 통해 선 결정화(Pre-crystallization)된 형태로 합성되며, 소수 성 유기 리간드로 표면이 덮혀 있어 유기 용매에 분산된 잉크 형태로 존재할 수 있다. 따라서, 스핀 코팅(Spin coating), 잉크젯 프린팅(Ink-jet printing), 스프레이 코팅(Spray coating), 닥터 블레이드 코팅(Doctor bladecoating) 등의 다양한 용액 공정을 활용하여 열처리 공정 없이 박막화가 가능하다. 이러한 무열처리 박막화 공정이 가능하다는 장점 때문에 유연 태양전지 적용이 용이하며, 대량 생산을 위한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정에 적합한 소재이다.



태양전지를 위한 광흡수층 소재로서 처음 두각을 나타 낸 콜로이드 양자점은 황화납(Lead sulfide, PbS) 양자 점이다. PbS 양자점은 고온주입법(Hot-injection method)을 통해 주로 합성되어 왔으며, 전구체와 리간드 종류 및 주입 온도 등의 변화를 통해 결정 입자 크기를 조 절할 수 있다[그림 1(c)]. 이러한 PbS 양자점은 적외선과 가시광선 영역의 폭넓은 흡광을 통해 다중 여기자 생성 현 상을 실현할 수 있는 가능성이 제기되었기 때문에, 초창 기 양자점 태양전지의 광흡수층 소재로서 큰 각광을 받아 왔다. 공유 결합을 가진 PbS 양자점은 극성이 높은 용매 내에서도 안정하기 때문에 다양한 리간드를 이용한 표면 제어 전략을 통해 손쉽게 에너지 레벨 구조를 조절할 수 있으며, p-n 접합형 양자점 광흡수층의 구현을 통해 흡 광 및 전하 추출 능력을 향상시킬 수 있다. 이러한 표면 제 어 및 소자 구조 최적화 전략의 발전과 함께, PbS 양자점 태양전지의 광전변환효율(Power conversion effi- ciency)은 초기 2% 효율에서 시작하여 현재는 약 14%까 지 향상되어 왔다.[참고문헌 1,2]

최근 몇 년 동안 또 다른 양자점 광흡수층으로 주목을 받고 있는 소재는 납-할로겐화물 페로브스카이트(Lead- halide perovskite) 양자점이다. 납-할로겐화물 페로브스카이트는 이온 결합성 반도체 소재로, 가시광선 영역 흡 광에 특화된 광학 밴드갭 에너지, 높은 흡광계수, 전자- 정공 쌍의 용이한 분리, 양극성 전하 수송 능력, 긴 전하 수송체의 확산거리, 결함 내성(Defect tolerance) 등 우 수한 광학 및 전기적 특성으로 인해, 용액공정 기반의 박막 태양전지 분야에서 가장 높은 성능을 보이고 있다[그림 1(d)]. 이러한 납-할로겐화물 페로브스카이트를 콜로이드 양자점 형태로 합성하게 되면, 표면 리간드에 의해 결정상(Crystal phase) 안정성이 향상되며, 혼합 할로겐 조성 없이도 광학 밴드갭 에너지를 안정적으로 조절할 수 있고, 기계적 유연성 또한 향상시킬 수 있다. [참고문헌 3]이러한 콜 로이드 페로브스카이트 양자점은 벌크 페로브스카이트가 갖지 않는 광학 및 전기적 특성과 함께 공정적 측면에서의 차별성 때문에 독립적인 소재로 인식되고 있다. 또한, 페로브스카이트 양자점은 기존 양자점 소재 보다 우수한 광전 특성을 보임으로써, 최근 몇 년 간 콜로이드 양자점 태양전지 분야에서의 최고 효율 기록을 갱신하고 있다.[참고문헌 4,5] 이러한 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능 향상은 주로 표면 리간드 교환 방법의 발전에 의해 이루어져 왔다.

따라서, 본 총설에서는 콜로이드 PbS 및 페로브스카이트 양자점을 태양전지로 적용한 연구 결과 및 동향에 대해서 서술하고자 한다. 우선, 각 양자점 소재의 합성 방법 에 대해서 서술한 후, 각 양자점 소재의 표면화학적 방법에 기반하여 발전되어 온 표면 제어 방법의 대표적인 사례를 통해 양자점 태양전지의 발전 동향에 대해 서술하고자 한다.



본 론


1. PbS 양자점 태양전지


양자점 태양전지는 다중 여기자 생성에 의한 광전변환 효율의 극대화를 통해 Shockley-Queisser Limit의 단일접합 태양전지 효율 한계를 극복할 수 있다는 기대 때문에 큰 각광을 받기 시작하였다. 납-칼코겐화물(Lead chalcogenide) 계열의 양자점 소재들은 적외선 영역의 흡광이 가능한 광학 밴드갭 에너지를 갖기 때문에 가시광선 영역 흡광에 의한 다중 여기자 생성의 실현 가능성이 높은 후보라고 여겨져 왔으며, 이를 구현하기 위한 연구는 현재도 꾸준히 수행되고 있다. 이러한 기술적 전망에 따라, 납-칼코겐화물 양자점 중에서 가장 뛰어난 성능을 보였던 PbS 양자점 태양전지의 대표적인 기술 발전 사례를 소개하고자 한다.

 

1.1  PbS 양자점의 합성

불균일한 결정 입자 크기를 갖는 콜로이드 양자점은 광학 및 전기적 특성의 불균일성을 야기함으로써 광전 소자의 성능을 감소시키는 주 원인이 된다. 나노입자 형성에 기본이 되는 핵생성 및 결정성장 메커니즘과 관련된 LaMer 모델을 통해, 콜로이드 양자점을 균일하게 합성하기 위해서는 전구체 및 반응물 농도의 순간적인 과포화를 통한 급격한 핵생성이 중요하다고 제안되었다[그림 2a]. 즉, 빠른 핵생성과 동시에 추가적인 핵생성을 억제할 경우, 양자점들이 동일한 결정성장 경로를 겪음으로써 최종 양자점들의 결정 입자 크 기가 균일하게 성장할 수 있다는 개념이다. Bawendi 교수 연구팀에 의해 제안된 고온주입법은, 유기금속화합물과 유기 리간드가 포함된 전구체 용액에 또 다른 제2의 전구체 용액 을 높은 온도에서 매우 빠르게 주입함으로써 폭발적인 핵생성 및 순차적인 결정성장 반응을 유도하여 균일한 결정 크기의 양자점 합성을 가능하게 하였다.

PbS 양자점 합성은 고온주입법을 주로 활용하고 있으며, 이 과정에서는 납 전구체와 소수성 유기 리간드를 포함한 약 100도의 전구체 용액에 황 전구체를 주입함으로 써 이루어진다[그림 2(b)–(d)].[참고문헌 1,2] 이를 통해, 균일한 결정 입자 크기의 PbS 양자점이 합성될 수 있으며, 올레익산(Oleic acid) 등의 긴 탄화수소 사슬 기반의 소수성 리간드를 사용하여 무극성 용매 내에서의 콜로이드 분산성을 확보할 수 있다. 또한, 전구체와 리간드 비율 및 주입 온도를 조절함으로써 PbS 양자점의 결정 입자 크기와 광학 적 밴드갭 에너지를 조절할 수 있다.

 

1.2       PbS 양자점 리간드 교환 및 태양전지 연구 동향

빛 에너지 흡수를 통해 콜로이드 양자점 광흡수층 내에서 생성된 전자와 정공은 외부 전극으로 추출되어야 하기 때문에 양자점 박막 내에서의 전하 수송 특성이 매우 중요하다. 합성 과정에서 도입되는 긴 탄화수소 사슬의 소수성 리간드는 양자점 광흡수층 내에서 전기적 절연체(In- sulator)로 작용하기 때문에, 리간드 교환 과정을 통해 짧은 길이의 유기 또는 무기 리간드로 교환되어야만 한다.

PbS 양자점을 포함한 콜로이드 양자점의 리간드 교환 방법은 크게 두 가지 방식으로 제안되어 왔다. 첫 번째 방법은, 콜로이드 양자점을 얇은 두께로 적층한 후, 극성 용매에 용해된 짧은 길이의 리간드 용액으로 처리하는 고체상 리간드 교환(Solid-state ligand exchange) 방법이다[그림 3(a)].[참고문헌 6] 이러한 고체상 리간드 교환 방법을 통해 두꺼운 양자점 광흡수층 박막을 제작하기 위해서는, 용매 직 교성(Solvent orthogonality)을 고려한 층상조립(Layer- by-Layer, LbL) 공정을 통해 콜로이드 양자점 적층 및 고체상 리간드 교환 과정을 반복적으로 수행해야 한다.[참고문헌 7]

두 번째 리간드 교환 방법은, 무극성 용매에 분산된 콜로이드 양자점을 짧은 길이의 리간드가 용해되어 있는 극성 용액으로 직접 상 전환(Phase transfer)시키는 용액상 리간드 교환(Solution-phase ligand exchange) 방법이다[그림 3(b)].[참고문헌 6,8] 이를 통해, 정밀하게 표면 제어된 고농도의 PbS 양자점 잉크를 얻을 수 있으며, 이를 이용하 여 두꺼운 양자점 광흡수층 박막을 단일 적층 공정으로 손쉽게 제작할 수 있다. 용액상 리간드 교환을 통해 제작된 PbS 양자점 잉크 기반의 태양전지는 고체상 리간드 교환으로 제작된 PbS 양자점 태양전지 보다 높은 광전변환효율을 보이고 있기 때문에 고성능 PbS 양자점 태양전지 제작에 널리 이용되고 있다.


최초의 PbS 양자점 태양전지는 고체상 리간드 교환 방법 기반의 층상조립 공정을 통해 제작되었다. 이 과정에 서 표면 리간드의 작용기와 유기화학적 구조를 제어함으로써 양자점 광흡수층 박막의 에너지 레벨을 조절할 수 있다. 이를 이용하여, p-n 접합 특성의 이종접합(Hetero- junction) 구조를 구현함으로써 10.6%의 광전변환효율을 갖는 PbS 양자점 태양전지가 보고되었다[그림 4(a)].[참고문헌 9]

이 후, 용액상 리간드 교환 방법을 통해 표면 제어 효과를 크게 향상시킴으로써, 고성능의 PbS 양자점 태양전지 가 보고되었다. 먼저, 암모늄 아세테이트(Ammonium acetate)와 PbI2을 용해시킨 극성 용액을 무극성 용매에 분산된 콜로이드 양자점 용액과 교반하여 소수성 리간드를 효과적으로 제거함과 동시에 PbI3- 이온으로 양자점 표면을 안정화시킨다[그림 4(b)].[참고문헌 8] PbI+ 이온의 도움으로 극성 용매에 대한 콜로이드 안정성이 확보된 고농도의 PbS 양자점 잉크를 이용하여 두꺼운 양자점 광흡수층을 제작할 수 있다. 따라서, 향상된 표면 제어 효과와 함께 두꺼운 양자점 광활성층 구현이 가능하여 12.01%의 높은 광 전변환효율을 갖는 PbS 양자점 태양전지가 제작될 수 있었다.

기존의 p-n 접합형 PbS 양자점 광흡수층의 구현을 넘어서, 각 p형 및 n형 반도체 특성을 갖는 PbS 양자점 잉크 제작 및 이를 혼합함으로써 bulk homojunction의 구조를 실현하였다[그림 4(c)].[참고문헌 10]




이러한 PbS 양자점 광흡수층의 bulk homojunction 구조는 전하 수송체의 확산길이(Diffusion length)를 기 존보다 1.5배 이상 증가시킬 수 있기 때문에, 결과적으로, 13.3%의 광전변환효율을 갖는 PbS 양자점 태양전지가 실현될 수 있었다.

PbS 양자점 광흡수층의 구조뿐만 아니라 정공수송층으 로 활용될 수 있는 유기 반도체 분자의 결정 배향을 제어함 으로써 전하 추출 능력을 향상시킨 사례도 있다[그림 4(d)].[참고문헌 11] 수직 방향으로의 정공 추출이 용이하도록, 유기 분 산 용매의 쌍극자 조절을 통해 유기 bulk heterojunction 층의 배열 방향을 조절하였고, 이를 통해 전류밀도가 크게 향상되면서 13.66%의 광전변환효율을 달성할 수 있었다.

 

2. 페로브스카이트 양자점 태양전지

 

납-할로겐화물 페로브스카이트는 광학 및 전기적 특성이 매우 우수하기 때문에 용액공정 기반의 박막 태양전지 분야에서 활발히 연구되고 있다. 또한, 납-할로겐화물 페 로브스카이트를 콜로이드 양자점 형태로 합성하게 되면, 다양한 장점을 부여할 수 있다. 특히, 최근 몇 년 동안에 는 기존 PbS 양자점 태양전지의 성능을 추월함으로써 양자점 태양전지의 발전을 견인하고 있다.[참고문헌 4,5] 따라서, 본 장 에서는 페로브스카이트 양자점 합성 및 리간드 교환법 발전 에 따른 태양전지 성능 향상 사례를 소개하고자 한다.


2.1 페로브스카이트 양자점의 합성

납-할로겐화물 페로브스카이트 양자점은 ABX3 [A = methylammonium(MA), formamidinium(FA), Cs, B

= Pb, Sn, X = Cl, Br, I]의 조성을 가지며, 올레익산과 올레일아민(Oleylamine)을 소수성 리간드 유도체로 사용한다. 격자 형성 에너지(Lattice formation energy) 가 낮은 이온결합성 페로브스카이트 양자점은 상온에서도 결정화가 이루어질 만큼 합성이 매우 용이하다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 합성 방법으로는 고온주입법과 리간드 보조 재침전(Ligand-assisted reprecipitation, LARP)법이 있다.

페로브스카이트 양자점의 고온주입법은, 소수성 리간드 유도체의 도움으로 용해된 PbX2 용액에 Cs 전구체 용액을 약 180도에서 주입하는 방식으로 수행된다[그림 5(a)].[참고문헌 12] 다양한 할로겐 전구체를 사용하여 조성 변화를 유도할 수 있을 뿐 만 아니라, 리간드 비율과 전구체 용액 주입온도 변화에 따라 양자점의 결정 크기를 조절할 수 있다. 이를 통해, 페로브스카이트 양자점 소재의 광학 밴드갭 에너지를 조절할 수 있음에 따라 다양한 흡광 및 발광 스펙트럼을 갖는 페로브스카 이트 양자점을 합성할 수 있다.

또 다른 합성법으로는, LARP 방법이 있다. LARP 방법에서는, 비양자성(Aprotic) 극성 용매에 전구체 화합물염과 소수성 리간드를 용해시킨 후, 상온에서 무극성 용매에 주입함으로써 페로브스카이트 결정 석출을 유도하는 방식으로 합성된다[그림 5(b)].[참고문헌 13] 즉, 이러한 석출 과정에서 소수성 리간드의 도움으로 인해 수~수십 나노미터 크기의 콜로이드 페로브스카이트 양자점이 합성된다. 또한, 소수성 리간드의 체인 길이 및 비율 조절을 통해 양자점의 결정 크기를 조절함으로써 광학 밴드갭 에너지를 제어할 수 있다.

 

2.2 페로브스카이트 양자점의 합성

납-할로겐화물 페로브스카이트 양자점의 합성 과정에서는 주로 올레이트(Oleate, 비양성자화 된 올레익산)와 올레일암모늄(Oleylammonium, 양성자화 된 올레일아 민)이 소수성 표면 리간드로 사용된다. 올레이트 리간드 를 제거해주기 위해서, 페로브스카이트 양자점 박막에 메 틸 아세테이트(Methyl acetate) 용매로 처리해주는 고체상 리간드 교환 방법이 채택되었다.[참고문헌 3] 페로브스카이트 양 자점 박막의 적층과 메틸 아세테이트 기반의 고체상 리간드 교환 과정을 반복하는 층상조립 공정을 통해, 빛 에너 지 하베스팅에 충분한 두께의 페로브스카이트 양자점 광 흡수층이 제작될 수 있다. 형성된 두꺼운 페로브스카이트 양자점 광흡수층에 에틸 아세테이트(Ethyl acetate) 용매 기반의 후처리 공정 기반 리간드 교환을 수행함으로써, 잔여 올레일암모늄 리간드를 제거할 수 있다.[참고문헌 4]

고체상 리간드 교환 방법 기반의 층상조립 공정은 높은 양자점 잉크 소비량, 높은 공정 비용 및 시간 등을 요구하 기 때문에 양자점 태양전지 단위 소자 및 대량으로의 제 작을 위한 생산 설비가 복잡해 진다는 단점을 갖는다. 또한, 수백 나노미터의 두께로 적층 된 양자점 박막에 고체 상 리간드 교환을 수행하면, 표면 리간드 제거에 의한 부피 축소로 인해 크랙(Crack) 및 박리(Delamination) 현 상이 발생할 수 있다.[참고문헌 14] 따라서, 최근에는 용액상 리간드 교환 방법을 통해 페로브스카이트 양자점 잉크를 고농도 로 준비하고, 이를 단일 적층 공정으로 두꺼운 양자점 광 흡수층을 제작함으로써 양자점 태양전지에 적용하는 연구가 진행 중이다.[참고문헌 14]

페로브스카이트 양자점의 리간드 교환 과정에서는 이온 결합성의 페로브스카이트 결정을 분해시키지 않음과 동시에 긴 체인의 리간드만을 선택적으로 탈착시킬 수 있는 용매 선정이 필수적이다. 이를 위해, 처음으로 성공적으로 도입되었던 리간드 제거 용매인 메틸 아세테이트는가 수분해(Hydrolysis)를 통해 아세테이트 이온을 배출하며, 이 아세테이트 이온은 올레이트 리간드를 효과적으로 교 체할 수 있다.[참고문헌 3, 15] 메틸 아세테이트 기반의 고체상 리간드 교환을 통해, 처음으로 10.77%의 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 양자점 태양전지가 보고되었다[그림 6(a)]. 메틸 아세테이트 용매에 알칼리 아세테이트(Alkali acetate)염을 첨가함으로써 아세테이트 이온을 직접 공 급한 연구 결과 또한 보고되었으며, 이를 통해 광전변환 효율을 12.4%까지 향상시킬 수 있었다.[참고문헌 16]


페로브스카이트 양자점 태양전지 성능을 더욱 향상시키기 위해서, 올레이트 뿐만 아니라 올레일암모늄 리간드 또 한 짧은 체인의 리간드로 교환되어야 한다. 올레이트가 제거된 페로브스카이트 양자점 광흡수층 박막에 에틸 아세 테이트 기반 후처리 공정을 도입함으로써 잔여 올레일암 모늄을 효과적으로 제거할 수 있다[그림 6(b)].[참고문헌 4] 메틸 아세 테이트 보다 알킬(Alkyl) 길이가 더 긴 에틸 아세테이트는 소수성 리간드와의 혼화성(Miscibility)이 더 높기 때문에 올레일암모늄을 제거할 수 있다.[참고문헌 17] Formamidinium iodide(FAI)염을 첨가한 에틸 아세테이트 용액으로 후처 리 공정을 수행하면, FA 양이온에 의해 올레일암모늄이 더욱 효과적으로 교환될 수 있으며, 더욱 향상된 전하 이동 특성으로 인해 13.43%의 광전변환효율을 갖는 페로브 스카이트 양자점 태양전지가 구현될 수 있었다.

납-할로겐화물 페로브스카이트는 광전 특성이 매우 우수하지만, 외부 환경적 요인(예: 수분)에 의해 낮은 결정상 안정성을 갖는다. FAI 후처리 공정은 대부분의 소수성 리간드를 제거할 수 있지만, 이러한 페로브스카이트 양자점 박막이 높은 수분조건 하에 직접 노출되면 결정상 안정성 감소에 의해 양자점 태양전지의 성능 및 안정성이 감소한다. FAI 염 대신, 소수성 페닐기를 가진 펜에틸암모늄 아이 오다이드(Phenethylammonium iodide, PEAI) 염을 사용하게 되면, 올레일암모늄을 효과적으로 교체하는 동시에 페로브스카이트 양자점 광흡수층의 수분 안정성을 크게 향상시킬 수 있다[그림 6(c)].[참고문헌 18] 또한, PEAI 후처리 공정은 페로브스카이트 양자점의 응집(Aggregation) 현상을 억제할 수 있음에 따라 1.23 V의 높은 개방전압과 14.1%의 광전변 환효율을 갖는 고성능의 페로브스카이트 양자점 태양전지 제작과 함께 소자 안정성을 크게 향상시킬 수 있었다.

FA, MA 등의 유기 양이온 기반 페로브스카이트 양자점은 기존 Cs 무기 양이온 기반의 페로브스카이트 양자점과 비교하여, 높은 결정상 안정성 및 작은 광학 밴드갭 에너지를 갖기 때문에 보다 더 넓은 파장대 범위의 태양광을 흡수 할 수 있다. 따라서, 최근에는 유기 양이온 페로브스카이트 양자점에 최적화된 표면화학 기반의 리간드 교환 방법 개 발과 함께 태양전지로 적용하는 연구가 활발하게 수행 중이다. MAI 염이 용해된 이소프로필 알코올(Isopropyl al- cohol) 용액을 이용한 고체상 리간드 교환 방법을 통해, 유기 양이온 페로브스카이트 양자점의 소수성 리간드를 효과 적으로 교환함으로써 양자점 박막 내에서의 전하 이동 특성을 향상시킬 수 있었고, 또한 결정상을 안정하게 유지할 수 있었다[그림 6(d)]. [참고문헌 5] 이를 통해, 현재 양자점 태양전지 분야에서 최고 인증 효율을 갖는 18.1%의 광전변환효율의 유기 양이온 페로브스카이트 양자점 태양전지가 보고되었다.

 


결 론


콜로이드 양자점은 결정 입자 크기 조절을 통해 광학 밴드갭 에너지를 제어함으로써 다양한 파장대의 빛을 흡광 및 발광할 수 있는 광학적 특성뿐만 아니라 무열처리 박막화 제작이 가능하다는 공정적 장점을 가지고 있기 때문 에 태양전지를 포함하는 다양한 광전소자 분야에서 활용 되고 있다. 초창기 양자점 태양전지는, 가시광선 영역의 흡광을 통한 다중엑시톤생성의 실현 가능성 및 적외선 영역의 빛까지 흡수할 수 있는 PbS 양자점을 주로 활용하였고, 이를 통해 표면화학 기반의 리간드 교환 방법 및 태양 전지 성능 향상을 위한 다양한 전략 방법들을 제공하였다. 최근에는 PbS 양자점 태양전지 성능을 뛰어넘은 페로브 스카이트 양자점 태양전지가 큰 각광을 받고 있다. 특히, 페로브스카이트 양자점은 현재 양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 인증 효율인 18.1%의 광전변환효율을 달성함으로써 양자점 태양전지의 발전 동력을 이끌고 있다. 향후에도, 페로브스카이트 양자점 합성, 표면 제어 및 소자 구조 최적화 전략 등을 통해 양자점 태양전지의 성능이 지속적으로 향상될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 페로브스카이트 양자점은 가시광선 영역의 발광 특성도 우수하기 때 문에 단일 광전소자 내에서 빛 에너지 하베스팅과 전계 발광 특성을 모두 구현할 수 있는 다기능성 복합 광전소자 플랫폼 구현에 대한 잠재력을 보여줄 것으로 기대된다.




  1. J. M. Luther, J. Gao, M. T. Lloyd, O. E. Semonin, M. C. Beard, and A. J. Nozik, "Stability Assessment on a 3% Bilayer PbS/ZnO Quantum Dot Heterojunc-tion Solar Cell." Adv. Mater. 2010, 22, 3704.

  2. J. Xu, O. Voznyy, M. Liu, A. R. Kirmani, G. Walters, R. Munir, M. Abdelsamie, A. H. Proppe, A. Sarkar, F. Pelayo Garcia de Arquer, M. Wei, B. Sun, M. Liu, O. Ouellette, R. Quintero-Bermudez, J. Li, J. Fan, L. Quan, P. Todorovic, H. Tan, S. Hoogland, S. O. Kelley, M. Stefik, A. Amassian, and E. H. Sargent, "2D matrixengineering for homogeneous quantum dot coupling in photovoltaic solids." Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 456.

  3. A. Swarnkar, A. R. Marshall, E. M. Sanehira, B. D. Chernomordik, D. T. Moore, J. A. Christians, T. Chakrabarti, and J. M. Luther, "Quantum dot-induced phase stabilization of a-CsPbI3 perovskite for high-efficiency photovoltaics." Science 2016, 354, 92–95.

  4. E. M. Sanehira, A. R. Marshall, J. A. Christians, S. P. Harvey, P. N. Ciesielski, L. M. Wheeler, P. Schulz, L. Y. Lin, M. C. Beard, J. M. Luther, "Enhanced mobility CsPbI3 quantum dot arrays for record-efficiency, high-voltage photovoltaic cells." Sci. Adv. 2017, 3, eaao4204.

  5. H. Aqoma, S.-H. Lee, I. F. Imran, J.-H. Hwang, S.-H. Lee, and S.-Y. Jang, "Alkyl ammonium iodide-based ligand exchange strategy for high-efficiency or-ganic cation perovskite quantum dot solar cells." Nat. Energy  2024, 9, 324–332.

  6. Y. Kim, M.-J. Choi, and J. Choi, "Infrared-harvesting colloidal quantum dot inks for efficient photovoltaics: Impact of surface chemistry and device en- gineering" J. Mater. Sci. Technol. 2023, 147, 224–240.

  7. A. H. Ip, S. M. Thon, S. Hoogland, O. Voznyy, D. Zhitomirsky, R. Debnath, L. Levina, L. R. Rollny, G. H. Carey, A. Fischer, K. W. Kemp, I. J. Kramer, Z. Ning, A. J. Labelle, K. W. Chou, A. Amassian, and E. H. Sargent, "Hybrid passivated col- loidal quantum dot solids." Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 577.

  8. M. Liu, O. Voznyy, R. Sabatini, F. P. G. Arquer, R. Munir, A. H. Balawi, X. Lan, F. Fan, G. Walters, A. R. Kirmani, S. Hoogland, F. Laquai, A. Amassian, and E. H. Sargent, "Hybrid organic–inorganic inks flatten the energy landscape in col- loidal quantum dot solids." Nat. Mater. 2017, 16, 258–263.

  9. X. Lan, O. Voznyy, F. P. García de Arquer, M. Liu, J. Xu, A. H. Proppe, G. Walters, F. Fan, H. Tan, M. Liu, Z. Yang, S. Hoogland, and E. H. Sargent, "10.6% Certified Colloidal Quantum Dot Solar Cells via Solvent-Polarity-Engineered Halide Passivation." Nano Lett. 2016, 16, 4630.

  10. M.-J. Choi, F. P. G. Arquer, A. H. Proppe, A. Seifitokaldani, J. Choi, J. Kim, S.-W. Baek, M. Liu, B. Sun, M. Biondi, B. Scheffel, G. Walters, D.-H. Nam, J. W. Jo, O. Ouellette, O. Voznyy, S. Hoogland, S. O. Kelley, Y. S. Jung, and E. H. Sargent, "Cascade Surface Modification of Colloidal Quantum Dot Inks Enables Effi- cient Bulk Homojunction Photovoltaics." Nat. Commun. 2020, 11, 103.

  11. J. Yang, A. Sharma, J. W. Yoon, W. Paritmongkol, S. Lee, H. Ahn, W. Lee, H. Song, W. H. Jeong, B. R. Lee, S.-J. Ko, M. Ahmadi, E. H. Sargent, and H. Choi, "Structurally Driven Ultrafast Charge Funneling in Organic Bulk Hetero- junction Hole Transport Layer for Efficient Colloidal Quantum Dot Photo-voltaics." Adv. Energy Mater. 2023, 13, 2203749.

  12. L. Protesescu, S. Yakunin, M. I. Bodnarchuk, F. Krieg, R. Caputo, C. H. Hendon, R. X. Yang, A. Walsh, and M. V. Kovalenko, "Nanocrystals of Cesium Lead Halide Perovskites (CsPbX3, X = Cl, Br, and I) Novel optoelectronic materials showing bright emission with wide color Gamut." Nano Lett. 2015, 15, 6, 3692–3696.

  13. F. Zhang, H. Zhong, C. Chen, X. Wu, X. Hu, H. Huang, J. Han, B. Zou, and Y. Dong, "Brightly Luminescent and Color-Tunable Colloidal CH3NH3PbX3 (X = Br, I, Cl) Quantum Dots: Potential Alternatives for Display Technology." ACS Nano 2015, 9, 4, 4533-4542.

  14. J. Kim, S. Han, G. Lee, J. Choi, M. J. Ko, Y. Kim. "Single-step-fabricated per- ovskite quantum dot photovoltaic absorbers enabled by surface ligand manipulation." Chem. Eng. J. 2022, 448, 137672.

  15. L. M. Wheeler, E. M. Sanehira, A. R. Marshall, P. Schulz, M. Suri, N. C. Ander-son, J. A. Christians, D. Nordlund, D. Sokaras, T. Kroll, S. P. Harvey, J. J. Berry, L. Y. Lin, and J. M. Luther, "Targeted Ligand Exchange Chemistry on Cesium Lead Halide perovskite quantum dots for high-efficiency photovoltaics." J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 33, 10504–10513.

  16. J. Kim, B. Koo, W. H. Kim, J. Choi, C. Choi, S. J. Lim, J.-S. Lee, D.-H. Kim, M. J. Ko, Y. Kim, "Alkali acetate-assisted enhanced electronic coupling in CsPbI3 perovksite quantum dot solids for improved photovoltaics." Nano Energy 2019, 66, 104130.

  17. S. Cho, J. Kim, S. M. Jeong, M. J. Ko, J.-S. Lee, and Y. Kim. "High-Voltage and Green-Emitting Perovskite Quantum Dot Solar Cells via Solvent Miscibility- Induced Solid-State Ligand Exchange." Chem. Mater. 2020, 32, 20, 8808–8818.

  18. J. Kim, S. Cho, F. Dinic, J. Choi, C. Choi, S. M. Jeong, J.-S. Lee, O. Voznyy, M. J. Ko, Y. Kim, "Hydrophobic stabilizer-anchored fully inorganic perovskite quantum dots enhance moisture resistance and photovoltaic perform- ance." Nano Energy 2020, 75, 104985.  


김 지 건 Jigeon Kim


• 한양대학교 신소재공학부, 학사 (2012.03 - 2018.08, 지도교수 : 김현우)

• 한양대학교 화학공학과, 박사 (2018.09 - 2024.02, 지도교수 : 고민재)

• 국민대학교 화학과, 박사 후 연구원 (2024.03 - 현재, 지도교수 : 김영훈)








김 영 훈 Younghoon Kim


• 국민대학교 신소재공학부, 학사 (2002.03 - 2008.02, 지도교수 : 남원종)

• 국민대학교  신소재공학과,  석사  (2008.03  - 2010.02,  지도교수  : 조진한)

• 고려대학교 화공생명공학과, 박사 (2011.03 - 2014.08, 지도교수 : 조진한)

• 고려대학교 화공생명공학과, 박사 후연구원 (2014.09 - 2015.02, 지도교수 : 조진한)

• Universitiy of Toronto 전기전자컴퓨터공학과, 박사 후 연구원 (2015.03 - 2017.07, 지도교수 : Edward H. Sargent)

• 대구경북과학기술원 에너지융합연구부, 선임연구원 (2017.08 - 2021.08)

•국민대학교 화학과, 조교수 (2021.09 - 현재)


bottom of page