금빛 태양전지의 비밀이 밝혀지다-금 나노클러스터 태양전지 효율 높일 나트륨 역할 규명
등록일 2020.05.11.
금빛 태양전지의 비밀이 밝혀지다
금 나노클러스터 전지 효율 높일 나트륨 역할 규명, ACS Energy Letters 표지논문
“ A Secret Ingredient for Metal Nanocluster-Sensitized Solar Cells ”
□ 금빛 태양전지의 효율을 높일 비법재료가 밝혀졌다. 한국연구재단(이사장 노정혜)은 방진호 교수(한양대학교 바이오나노학과) 연구팀이 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터* 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요인임을 알아냈다고 밝혔다.
* 금 나노클러스터 : 금 원자가 여럿이 모여 만든 나노 크기의 클러스터. 탄소 원자 60개가 축구공 모양을 이룬 풀러렌처럼 원자나 분자가 여럿이 모여 덩어리를 이루면 원래 원자나 분자와는 전혀 다른 성격을 지닌다.
□ 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 게재되었다.
주요내용 설명
<작성 : 한양대학교 방진호 부교수>
< 논문명, 저자정보 >
논문명
Alkali Metal Ions : A Secret Ingredient for Metal Nanocluster-Sensitized Solar Cells
저 자
방진호 교수(교신저자/한양대학교), 무하마드 아와이스(Muhammad Abbas) 연구교수(공동제1저자/한양대학교), 라주 토타(Raju Thota) 박사(공동제1저자/한양대학교), 이동일 교수(공저자/연세대학교), 표경림 박사(공저자/연세대학교)
< 연구의 주요내용 >
1. 연구의 필요성
○ 염료감응형 태양전지와 유사한 방식으로 구동하는 금속 나노클러스터* 감응형 태양전지는 친환경 광흡수체인 금을 활용하기에 3세대 태양전지로 비상한 관심을 받고 있다.
* 금속 나노클러스터 : 분자와 같이 불연속적인 에너지 준위를 갖기 때문에 무기 소재임에도 불구하고 분자와 유사한 물리적 성질을 갖는 2 나노미터 이하의 금속 나노입자. 가시광선에서 근적외선 영역대 파장의 형광 현상과 같은 독특한 물리적 성질이 나타난다.
○ 광전환 효율*의 비약적인 향상과 금이나 은 등 다양한 금속 소재로의 다양성 확장으로 차기 개발 단계로의 도약을 위한 시도가 이뤄지고 있다.
* 광전환 효율 : 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 나오는 전기 출력에너지의 비를 퍼센트로 표시한 것
○ 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 계면*에서의 물리적 특성에 대한 통합적 이해를 위한 심도 있는 기초연구가 필요하다.
* 계면 : 태양전지 제작시 전극 구성 요소들이 만나 형성하는 표면
2. 연구내용
○ 금속 나노클러스터 기반 광전극 제조시 광흡수체의 산화물 전극 흡착 과정에서 나타나는 아주 미묘한 정제 공정 차이가 광전극의 효율을 크게 좌우하는 것을 관찰하였다.
○ 금속 나노클러스터 감응형 태양전지에서 전류-전압 이력현상(current–voltage hysteresis)*이라는 새로운 광전기화학적 특성이 유도되는 것을 우연히 관찰하였다.
* 전류-전압 이력현상 : 전류-전압 특성을 측정할 때 단락전류에서 개방전압으로 스캔이 되는 정방향과 개방전압에서 단락전류로 스캔이 되는 역방향의 곡선이 일치되지 않고 차이가 나는 현상
○ 이에 금속 나노클러스터 정제과정에서 제거되는 금속 이온들이 이러한 특이 현상의 주원인일 것이라는 가설을 세웠다.
○ 체계적인 연구를 통해 정제과정에서 제거되는 나트륨 이온의 존재가 금속 나노클러스터와 금속 산화물 TiO2간 계면의 흡착 모드와 흡착 강도에 중대한 영향을 미치고, 이것이 광전환 효율과 전류-전압 이력현상의 주원인임을 규명하였다.
○ 기존 광전극에서는 관찰되지 않았던 광흡수체와 감응 지지체 산화물간 계면의 효과가 금속 나노클러스터 광전극에서는 매우 두드러지게 나타 나고 이를 알칼리 이온들의 첨가를 통해 억제할 수 있다는 것을 규명하여 광전환 효율과 안정성을 확보할 수 있는 새로운 솔루션을 제시하게 되었다.
3. 연구성과/기대효과
○ 금속 나노클러스터 광전극에서의 새로운 계면 효과를 규명, 무독성/친환경 태양전지라는 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 것으로 기대된다. 광전극에서의 계면 특성과 광전극의 물리적 성질간의 상관관계를 밝힘으로써 새로운 연구 패러다임을 제시하는 한편 광전환 효율과 안정성이 향상된 소재 디자인에 기여할 것으로 기대한다.
그림 설명
(그림 1) 나트륨 이온에 의한 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 전류-전압 이력현상 변화에 대한 삽화.
나트륨 이온이 첨가되지 않은 경우(보라색 그래프)에 비해 나트륨 이온이 첨가된 경우(주황색 그래프) 광전류가 크게 증가하고, 전류-전압 이력현상이 완화되는 것으로 나타남. 미량의 소금(염화나트륨, NaCl)이 요리 맛을 좌우하듯, 미량의 소금 첨가가 극명한 광전환 효율 향상을 가져옴.
출처 : 한양대학교 방진호 부교수
(그림 2) 금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 성능평가 결과
(A) 염화나트륨 유무에 따른 광전효율 및 전류-전압 이력현상의 변화 : 광전극 제조시 나트륨 이온이 첨가되지 않은 경우(고동색 그래프)와 나트륨 이온이 첨가된 경우(밝은 갈색 그래프)를 비교하였을 때, 나트륨 이온 첨가가 된 경우 광전류가 크게 증가하고, 전류-전압 이력현상이 완화되는 것으로 관찰됨.
(B) 염화나트륨 농도에 따른 광전효율의 변화 : 광전효율 향상을 위한 최적의 염화나트륨 농도를 도출하기 위해 광전극 제조시 첨가되는 나트륨 이온의 양을 달리하여 태양전지 성능 평가를 수행한 결과 0.75 M 농도까지는 지속적으로 광전류가 증가하나 그 이상의 나트륨 이온이 추가될 경우 광전류의 추가적인 증가는 관찰되지 않음.
출처 : 한양대학교 방진호 부교수
연구 이야기
<작성 : 한양대학교 방진호 부교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
연세대 이동일 교수 연구팀에서 보고한 금 나노클러스터 Au22(SG)18의 우수한 광학적 특성에 대한 호기심으로 공동연구를 시작하게 되었는데, 당초 기대와는 달리 이해할 수 없는 낮은 광전환 효율이 관찰되어 그 원인을 규명하고자 본 연구가 시작되었다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
이동일 교수 연구팀과 본 연구팀이 합성하는 금 나노클러스터의 정제 과정의 차이를 우연히 눈여겨 볼 수 있는 계기가 있었고, 정제 과정에서 제거되는 금속 이온들이 특이한 태양전지 거동의 주원인일 것이라는 가설을 세우고, 가설 증명을 위한 체계적인 연구를 수행하였다.
□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?
기존 광전극 시스템에서는 관찰되지 않는 새로운 계면 현상의 효과였기 때문에, 알칼리 이온의 계면 효과에 대한 근본적인 이해를 구하는 것이 매우 어려웠다. 아직 많은 부분들이 미제로 남아 있지만, 금 나노클러스터와 금속 산화물간의 흡착 강도와 흡착 모드의 미묘한 차이를 분광학적인 방법을 통해 확인함으로써 새로운 계면 효과를 증명할 수 있었다.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
금속 나노클러스터 기반 광전극에서 그동안 밝혀지지 않은 새로운 계면 효과를 규명함으로써, 무독성/친환경 태양전지라는 신개념 3세대 태양광 전환 시스템 개발에 중요한 원천기술을 확보하였을 뿐만 아니라, 광전극에서의 계면 특성과 광전극 거동간의 상관관계를 밝혀냄으로써 관련 학문 분야에 새로운 연구 패러다임 제시하게 되었다.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
타 광흡수 소재에 비해 아직 가격적인 경쟁력이 떨어지는 부분과 광전환 효율을 향상시킬 수 있는 여러 가지 시스템적인 요소의 최적화가 이루어질 경우 실용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대한다.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
향후 계면 특성과 광전극 거동간의 상관관계의 통합적 이해를 위한 후속연구를 수행할 계획이며, 이를 통해 금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 안정성을 높여 경제성이 확보된 무독성/친환경 태양전지 시스템을 개발하고 싶다.