금빛 태양전지의 비밀이 밝혀지다

- 금 나노클러스터 전지 효율 높일 나트륨 역할 규명

한국연구재단(이사장 노정혜)은 방진호 한양대학교 바이오나노학과 교수 연구팀이 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터1) 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요인임을 알아냈다고 지난달 7일 밝혔다.
  금 원자가 육안으로 보일 정도로 모인 벌크 상태의 금은 반응성이 낮아 변하지 않는 귀금속으로 분류된다. 하지만 금 원자 수 십 개가 모인 금 나노클러스터는 원자단위로 제어할 수 있고 활성을 띨 수 있어 화학반응의 촉매나 플랫폼 등으로 이용된다. 특히 금 원자 22개가 육팔면체(14면체) 구조로 모인 금 나노클러스터(Au22)는 기존 나노클러스터와는 차별화되는 독특한 코어/쉘 구조 때문에 빛을 잘 흡수할 수 있다. 때문에 실리콘이나 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 중금속 광흡수체에 비해 친환경적인 광흡수체인 금 나노클러스터는 차세대 태양전지 소재 가운데 하나로 꼽힌다.
  하지만 빛을 전기로 변환하는 광전환 효율이 기존 실리콘 태양전지 보다 5배 이상 낮아, 광전환 효율과 안정성 향상을 위한 다양한 연구가 이뤄져 왔다. 그 가운데 연구팀은 전극제조 과정에 쓰이는 나트륨 이온이 금 나노클러스터와 전극과의 흡착을 돕는 요인임을 알아냈다. 빛을 흡수한 금 나노클러스터에서 전자가 생성되면 접합되어 있는 반도체 산화물 전극(TiO2)으로 이동한 후 전자가 백금 상대 전극으로 수송되면서 전기가 생성된다. 이 때 나트륨 이온이 광흡수체와 산화물 전극간 흡착을 강하게 함으로써 생성된 전자의 분리와 원활한 수송을 촉진, 광전환 효율을 높이는 열쇠라는 것을 알아냈다.
  중금속이 아닌 금 나노클러스터를 광흡수체로 이용하는 것은 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 보다 유리할 수 있어 금 나노클러스터 태양전지 효율 향상의 실마리를 제공한 이번 연구성과가 특히 주목받는다. 
  과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원 사업(중견연구)과 교육부·한국연구재단이 추진하는 대학중점 연구소의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 5월 8일 표지논문으로 게재됐다.

< 연구의 주요내용 >

1. 연구의 필요성

염료감응형 태양전지와 유사한 방식으로 구동하는 금속 나노클러스터2) 감응형 태양전지는 친환경 광흡수체인 금을 활용하기에 3세대 태양전지로 비상한 관심을 받고 있다. 광전환 효율3)의 비약적인 향상과 금이나 은 등 다양한 금속 소재로의 다양성 확장으로 차기 개발 단계로의 도약을 위한 시도가 이뤄지고 있다.
  그럼에도 기존 유무기 염료나 나노입자 기반 소재와는 다른 독특한 물리적 성질을 가진 금속 나노클러스터의 물성이 광전환 효율에 미치는 영향에 대해서는 아직 많이 알려져 있지 않다. 특히 광전극의 효율을 높이기 위해서는 광전극 디자인의 핵심인 각종 계면4)에서의 물리적 특성에 대한 통합적 이해를 위한 심도 있는 기초연구가 필요하다.

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