[첨단 헬로티]

은빛 태양전지 시대가 열릴 전망이다. 방진호 한양대학교 바이오나노학과 교수 연구팀은 최근 은 나노입자를 이용하여 태양전지의 안정성을 확보하고, 광전환 효율도 끌어올렸다고 밝혔다. 이로써 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발이 앞당겨질 것으로 보인다.

▲ 방진호 한양대학교 바이오나노학과 교수 <사진 : 한양대학교>

은 나노클러스터의 태양전지 응용 가능성 확보

신개념 3세대 태양전지 원천기술 개발이 한 걸음 가까워졌다. 2010년 금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템의 구현이 최초로 증명되면서 그동안 금이나 은을 활용한 신개념 3세대 태양전지 원천기술 개발에 많은 관심이 모아졌다.

은은 독성이 없고, 친환경적이며, 빛을 잘 흡수하는 소재다. 이러한 장점 덕분에 그동안 은을 광흡수체로 사용하는 태양전지 연구개발에 많은 관심이 모아졌다.

하지만 금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템의 성공적인 구현과 달리, 은 나노클러스터를 기반으로 하는 태양전지의 구현은 지금까지 난제로 남아있었다. 은은 화학적 안정성이 낮고, 여기 전자 수명(excited state lifetime)이 짧았기 때문이다.

이에 방진호 교수 연구팀은 이러한 은 나노입자가 가진 한계를 깨고자 나노입자 포면에서 은(Ag)과 황(S)의 복합체가 응집되도록 유도하는 합성법을 개발했다.

이로써 태양전지의 광전환 효율이 2배 높아지고, 안정적으로 구동되는 시간을 수십 배 향상시킬 수 있었다. 또한, 은 나노입자가 복합체에 둘러싸이면서 안정성이 대폭 향상되고, 은 나노입자의 표면에서 중심부를 향한 전자의 이동이 용이해져서 여기 전자 수명도 크게 높아질 수 있었다.

방진호 교수는 “금 나노클러스터에 이어 은 나노클러스터의 태양전지 응용 가능성을 확보함에 따라, 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단 기초연구사업(신진연구, X-프로젝트, 대학중점연구소지원사업)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 미국화학회의 저명한 국제학술지 ‘ACS 응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 4월 3일 표지 논문으로 게재됐다.

[다음은 방진호 교수와의 일문일답]

Q. 연구를 시작한 계기는 무엇인가.

2016년 금 나노입자를 이용한 태양전지의 성공적인 구현 연구 이후, 금 나노입자의 영원한 라이벌인 은 나노입자의 태양전지 적용에 대한 호기심으로 연구를 수행하게 됐다. 저가의 장점뿐만 아니라, 흡광 계수가 금 나노입자보다 우수하기 때문에 은 나노입자의 활용이 가능할 경우 금속 나노입자를 활용한 3세대 태양전지 시스템에 새로운 가능성을 제시할 수 있을 것으로 예측했다.

Q. 연구 과정에 대해 설명해 달라.

은 나노입자를 안정화 할 수 있는 합성 경로를 개발하고, 이를 바탕으로 안정하게 구동할 수 있는 태양전지를 제작했다. 들뜬 전자의 수명과 전자 전이 현상에 대한 동역학을 이해하기 위해 초고속 레이져 분광기법을 미국 노틀담 대학 방사광 연구소와 공동연구를 수행했다.

Q. 연구하면서 어려웠던 점은 무엇인가.

기존 은 나노입자를 적용한 태양전지는 안정성이 매우 낮아 태양전지로서의 가능성이 매우 희박했다. 은 나노입자의 가장 큰 문제점인 안정성을 개선할 수 있는 새로운 합성 방법이 요구됐다. 이에 응집 유도 형광 증폭 현상을 보이는 신개념의 은 나노입자 합성 경로를 개발하고, 이를 통해 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있었다.

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가.

난공불락의 영역으로 여겨졌던 은 나노입자의 광흡수체의 적용을 성공적으로 수행한 것은 기존 연구와 차별화될 수 있는 귀중한 성과이다. 안정적으로 구동되는 태양전지 시스템을 이용한 분광학적, 전기화학적 기초 연구를 함께 수행함으로써 차후 개발을 위한 초석을 마련했다.

Q. 실용화 가능성은 어떻게 보는가.

타 광흡수 소재에 비해 아직까지 가격적인 경쟁력이 떨어지는 부분과 광전환 효율을 향상시킬 수 있는 여러 가지 시스템적인 요소의 최적화가 이루어질 경우 실용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대한다.

Q. 후속 연구계획이 궁금하다.

금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 안정성을 높여, 경제성이 확보된 무독성, 친환경적인 태양전지 시스템을 개발하고 싶다.