금(gold) 나노입자를 이용한 태양전지의 최적 작동조건 세계 최초 규명

 

무독성 친환경 소재인 금(gold)을 활용한 신개념 3세대 태양전지 원천기술이 기존 광전환 효율을 2배 가까이 끌어 올리는 성과를 나타내며 세계 최초로 개발되었다.

한국연구재단은 미래창조과학부와 재단의 신진연구자지원사업, 선도연구센터지원사업(ERC) 연구를 지원 받은 방진호 교수 연구팀(한양대)이 최근 금 나노클러스터를 가시광선 감응 흡광제로 사용한 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 작동 원리를 규명하고, 기존 2%대에서 2배 가까이 증가한 3.8%의 광전환 효율을 달성할 수 있는 기술이 세계 최초로 개발됐다고 밝혔다. 금 나노클러스터를 이용한 태양광 전환 시스템은 그동안 친환경적인 특성과 화학적 안전성에도 불구하고, 광전환 효율을 증가시킬 수 있는 태양전지의 근본적인 전극계면 현상에 대한 이해가 전무하여 미국 노트르담 대학의 프라샨트 카마트(Prashant Kamat) 교수가 2013년 발표한 광전환 효율 2.3%에 머물러 있었다. 

이에 대해 방진호 교수 연구팀은 금 나노클러스터 감응형 태양전지 연구에 있어 전극계면에서의 전하 이동과 재결합에 대한 근본적인 이해가 전혀 이루어지지 않아 광전환 효율이 더 증가시키기 어렵다는 문제의식을 갖게 되었다. 그 후 태양전지의 핵심 구성 요소인 금 나노클러스터의 입자 크기와 전해질에 대한 연구를 수행하여 광흡수율과 전극계면에서의 전하 재결합, 전하 이동 등의 핵심적인 현상에 있어 최적의 입자 크기가 존재함을 발견하고, 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율 증대에 결정적 역할을 하는 금 나노클러스터가 금 원자수가 18개로 구성된 Au18(SR)14이라는 것을 이번 연구를 통해 규명했다.

또한 기존 학계의 예측과 달리 아이오딘계 전해질이 금 나노클러스터의 화학적 안전성을 크게 저해시키지 않으면서 광전환 효율 증가에 중요한 역할을 한다는 것을 발견했다. 
그 결과 최적의 금 나노클러스터 감응제와 전해질 발견을 통해 기존 광전환 효율을 크게 상회하는 3.8%의 광전환 효율을 나타냈다고 설명했다. 광전환 효율이 높다는 것은 그만큼 에너지 전환 효율이 높다는 것을 의미한다. 이것이 이번 연구결과가 차세대 태양광 전환 기술로 크게 주목받는 이유이다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 금(gold) 나노입자를 이용한 태양전지의 최적 작동조건 세계 최초 규명