국내 연구진, 금 나노입자 이용 3세대 태양전지 시스템 토대 마련

무독성 친환경 소재인 ‘금(gold)’을 활용한 신개념 3세대 태양전지 원천기술이 기존 광전환 효율을 2배 가까이 끌어 올리는 성과를 나타내며 세계 최초로 개발됐다.  

방진호 교수 연구팀(한양대)이 최근 금 나노클러스터(분자와 같은 물리적 성질을 갖는 2 나노미터 이하의 금 나노입자)를 가시광선 감응 흡광제로 사용한 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 작동 원리를 규명하고, 기존 2%대에서 2배 가까이 증가한 3.8%의 광전환 효율을 달성할 수 있는 기술이 세계 처음으로 개발됐다고 밝혔다.  

광전환 효율이란 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 나오는 전기 출력에너지의 비를 퍼센트로 표시한 것이다. 이 연구성과는 화학분야 세계적인 학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 1월 13일 발표됐다. 미국화학회지는 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(impact factor) 12.113을 가지고 있는 화학 분야에서 최고의 권위를 가지고 있는 저널이다.  

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▲ 가시광선 감응 흡수제로 사용된 다양한 크기의 금 나노클러스터 입자의 모식도와 에너지 준위 다이어그램 및 태양전지 성능평가 결과

금 나노클러스터를 이용한 태양광 전환 시스템은 그 동안 친환경적인 특성과 화학적 안전성에도 불구하고, 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지의 근본적인 전극계면(태양전지 제작시 전극과 전해질이 만나 형성하는 표면) 현상에 대한 이해가 전무하여 미국 노트르담 대학의 프라샨트 카마트(Prashant Kamat) 교수가 2013년 발표한 광전환 효율 2.3%에 머물러 있었다.  

이에 대해 방진호 교수 연구팀은 금 나노클러스터 감응형 태양전지 연구에 있어 전극계면에서의 전하 이동과 재결합(태양광을 받아 형성된 전자와 정공이 분리되어 이동되는 현상과 다시 결합하는 현상)에 대한 근본적인 이해가 전혀 이루어지지 않아 광전환 효율이 더 증가시키기 어렵다는 문제의식을 갖게 되었다.  

그 후 태양전지의 핵심 구성 요소인 금 나노클러스터의 입자 크기와 전해질에 대한 연구를 수행하여 광흡수율과 전극계면에서의 전하 재결합, 전하 이동 등의 핵심적인 현상에 있어 최적의 입자 크기가 존재함을 발견하고, 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율 증대에 결정적 역할을 하는 금 나노클러스터가 금 원자수가 18개로 구성된 Au18(SR)14이라는 것을 이번 연구를 통해 규명했다. 

또한 기존 학계의 예측과 달리 아이오딘계 전해질(염료감응형 태양전지에서 보편적으로 사용되는 전해질로 아이오딘화 이온 (I-)과 트라이아이오딘화 이온 (I3-)이 주성분으로 구성)이 금 나노클러스터의 화학적 안전성을 크게 저해시키지 않으면서 광전환 효율 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다.    

그 결과 최적의 금 나노클러스터 감응제와 전해질 발견을 통해 기존 광전환 효율을 크게 상회하는 3.8%의 광전환 효율을 나타냈다고 설명했다. 광전환 효율이 높다는 것은 그만큼 에너지 전환 효율이 높다는 것. 이것이 이번 연구결과가 차세대 태양광 전환 기술로 크게 주목받는 이유이다. 

특히 양자점 (quantum dot)의 대표적인 나노 특성 중 하나인 양자구속효과 (quantum confinement effect)가 구현되는 금속 나노입자 시스템으로 금 나노클러스터는 물리, 화학, 재료, 전자, 광학, 바이오, 에너지 등의 다양한 응용분야에서 많은 잠재적인 응용 가능성을 보여주었다.

인류의 미래 에너지난 해결에 공헌하면서 금 나노클러스터를 통한 다양한 연구 분야에 확대 적용될 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다. 

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]