방진호 한양대 교수, '金나노입자 이용' 태양전지 최적 작동조건 세계 최초 규명

아주경제 최서윤 기자 = 무독성 친환경 소재인 ‘금(gold)’을 활용해 기존 광전환 효율을 2배 가까이 끌어올린 신개념 3세대 태양전지 원천기술이 세계 최초로 개발됐다고 한국연구재단이 25일 밝혔다.

한국연구재단에 따르면 방진호 한양대 교수 연구팀이 최근 금 나노클러스터를 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 개발됐다.

금 나노클러스터를 이용한 태양광 전환 시스템은 친환경적이고 화학적으로 안전한 특징이 있다. 그러나 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지의 근본적인 전극계면(태양전지 제작시 전극과 전해질이 만나 형성하는 표면) 현상에 대한 이해가 전무해 미국 노트르담 대학의 프라샨트 카마트 교수가 2013년 발표한 광전환 효율 2.3%에 머물러 있었다.
 

이번 연구에서 가시광선 감응 흡수제로 사용된 다양한 크기의 금 나노클러스터 입자의 모식도와 에너지 준위 다이어그램 및 태양전지 성능평가 결과 [그림=한국연구재단 제공]

이에 방 교수 연구팀은 금 나노클러스터 감응형 태양전지 연구에 있어 전극계면에서의 전하 이동과 재결합에 관한 근본적인 이해가 전혀 이루어지지 않아 광전환 효율이 더 증가시키기 어렵다는 문제의식을 갖게 됐다.

연구팀은 그 후 태양전지의 핵심 구성 요소인 금 나노클러스터의 입자 크기와 전해질에 대한 연구를 수행해 광흡수율과 전극계면에서의 전하 재결합, 전하 이동 등의 핵심적인 현상에 있어 최적의 입자 크기가 존재함을 발견했다. 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 전해질이 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 연구팀은 설명했다. 광전환 효율이 높다는 것은 그만큼 에너지 전환 효율이 높다는 것이다. 이것이 이번 연구결과가 차세대 태양광 전환 기술로 크게 주목받는 이유다.

연구 결과는 화학분야 세계적인 학술지 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 13일 발표됐다.


☞ 금 나노클러스터
분자와 같은 물리적 성질을 갖는 2 나노미터 이하의 금 나노입자

☞ 광전환 효율
입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 나오는 전기 출력에너지의 비를 퍼센트로 표시한 것

☞ 전하 이동과 재결합
태양광을 받아 형성된 전자와 정공이 분리되어 이동되는 현상과 다시 결합하는 현상

☞ 아이오딘계 전해질
염료감응형 태양전지에서 보편적으로 사용되는 전해질로 아이오딘화 이온 (I-)과 트라이아이오딘화 이온 (I3-)이 주성분으로 구성되어 있다.