나노막대 구조 고효율 박막 태양전지 제조기술 개발

페로브스카이트 광흡수체(CH3NH3PbI3)가 나노로드 표면에 흡착된 투과전자현미경 사진.

아주경제 이한선 기자= 나노막대 구조의 고효율 박막 태양전지 제조 기술이 개발됐다.

미래창조과학부는 박남규 성균관대학교 교수 연구팀이 싱가포르 난양공대 연구진과 공동으로 0.6마이크로미터 길이를 갖는 산화물 나노막대에 광흡수물질을 흡착해 광전변환 효율 9.4%의 박막 태양전지 제조 기술을 개발했다고 30일 밝혔다.

연구성과는 나노관련 최고 전문지인 나노 레터스 16일자 온라인판에 발표했다.

나노막대는 1차원으로 정렬된 형태로 광흡수체로부터 받은 광전자가 전달되는 길이 잘 발달돼 광전자의 이동에 유리하지만 3차원 나노입자에 비해 광흡수체의 흡착면적이 작아 효율이 4~5%를 넘지 못하는 가운데 고효율 박막 태양전지 개발은 나노입자를 중심으로 이뤄져 왔다.

박 교수팀이 지난해 8월 네이처 사이언티픽 리포트에 발표한 연구결과도 나노입자를 활용한 것으로 이산화티타늄(TiO2) 나노입자에 CH3NH3PbI3 화학식을 갖는 페로브스카이트라는 유무기복합 반도체 광흡수 물질을 흡착해 9% 이상의 고효율 박막 태양전지를 최초로 개발했다는 내용이다.

이 연구결과는 논문 발표 이후 불과 9개월 만에 30회 이상의 높은 인용지수를 보여 박막 태양전지 개발의 핵심 기술로 인정받았으나 나노입자의 구조상 입자가 연결된 부위마다 마디가 생성돼 광전자가 이 마디를 통해 빠르게 재결합되면서 전압이 낮아지는 문제가 과제로 남아 있었다.

연구팀은 광전자의 거동에 유리한 나노막대 구조의 장점을 살리고 기존 연구를 통해 개발된 광흡수체 페로브스카이트 물질을 활용해 9.4% 고효율 박막 태양전지를 개발하는데 성공해 나노막대를 이용한 박막 태양전지 기술로는 세계 최고 수준의 효율을 달성했다.

염료감응 태양전지에서 사용되는 산화물이 일반적으로 아나타제상을 갖는 나노입자 이산화티타늄(TiO2)인데 비해 박 교수팀이 사용한 나노막대는 광활성이 낮은 것으로 알려진 루타일상을 가지면서 비표면적이 나노입자의 5분의 1 수준이다.

향후 나노로드 태양전지 연구결과를 토대로 보다 효율적인 나노구조체와 유무기복합 광흡수체를 이용할 경우 15% 이상의 고효율 태양전지가 실현될 것으로 전망된다.