태양전지 최적 작동조건 세계 최초 규명

한양대 방진호교수팀, 금 나노입자 이용… 광전환 효율 기존보다 2배

▲가시광선 감응 흡수제로 사용된 다양한 크기의 금 나노클러스터 입자의 모식도와 에너지 준위 다이어그램.(제공=한국연구재단)

▲방진호 교수

국내 연구진이 세계 최고의 광전환 효율을 보이는 태양전지 원천기술을 개발했다.
　
한국연구재단(이사장 정민근 이하 재단)은 미래부와 재단의 신진연구자지원사업·선도연구센터지원사업(ERC) 연구를 지원받는 방진호 교수연구팀(한양대)이 최근 금 나노입자를 활용한 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 작동원리를 규명하는 한편 세계 최고의 광전환 효율을 보이는 신개념 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.
　
이번 연구에서 방 교수팀이 달성한 광전환 효율은 기존 2%에서 2배 가까이 증가한 3.8%에 달했다.
　

▲금 나노클러스터 감응형 태양전지의 전류-전압 곡선과 태양전지 성능 평가 인자값.(제공=한국연구재단)

입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 나오는 전기 출력에너지의 비를 퍼센트로 표시한 광전환 효율은 태양전지의 근본적인 전극계면(태양전지 제작시 전극과 전해질이 만나 형성하는 표면) 현상에 대한 이해부족으로 2013년 미국 노트르담 대학의 프라샨트 카마트 교수가 발표한 2.3%가 최고였다.
　
이처럼 광전환 효율이 높다는 것은 그만큼 에너지 전환 효율이 높다는 것으로 이번 연구결과는 차세대 태양광 전환 기술에 큰 주목을 받고 있다.
　
이번 연구는 방 교수팀이 금 나노클러스터 감응형 태양전지 연구에서 전극 계면에서의 전하 이동과 재결합에 대한 근본적인 이해가 전혀 이루어지지 않아 광전환 효율을 더 증가시키기 어렵다는 문제의식에서 시작, 태양전지의 핵심구성 요소인 금 나노입자가 전하 재결합과 전하이동 등 핵심적인 현상에서 최적의 입자크기가 존재한다는 사실을 발견했다.
　
이어 연구팀은 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율 증대에 결정적 역할을 하는 금 나노입자가 금 원자수 18개로 구성된 ‘Au18(SR)14’라는 것을 세계에서 처음으로 규명했다.
　
아울러 기존 학계의 예측과 달리 염료감응형 태양전지에서 보편적으로 사용되는 전해질인 아이오딘계 전해질이 금 나노클러스터의 화학적 안전성을 크게 저해시키지 않으면서 광전환 효율 향상에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다.
　
이를 통해 방 교수팀은 기존 광전환 효율을 크게 웃도는 3.8%의 광전환 효율을 달성했다.
　
방 교수팀의 이번 연구성과는 금 나노입자를 통한 다양한 연구분야에 확대 적용할 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
　
연구성과는 세계적인 화학분야 학술지인 미국화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 지난 13일 발표됐다.

이승규 기자 esk@