분무식 태양 전지를 제공하는 기술

조만간 당신의 태블릿에 동력을 공급하는 것은 랩을 감싸는 것처럼 단순한 것이 될 것이다. 캐나다 토론토 대학(University of Toronto) 산하 전기 및 컴퓨터 공학부 소속의 Illan Kramer와 동료 연구진이 수행한 새로운 연구는 콜로이드 양자점(CQDs; colloidal quantum dots)이라고 알려진 극소의 빛에 민감한 재료를 이용하여 유연한 표면 위에 태양 전지(solar cell)를 분무하는 새로운 방법을 발명했다. 이러한 연구는 태양 전지 위에 분무함으로써 보다 더 저렴하고 손쉬운 방법으로 태양 전지를 구축하는 방안을 지향하는 중요한 도약이 될 것이다.

IBM 캐나다 연구 및 개발 연구소 소속이며, 토론토 대학 소속의 박사 후 과정 연구원인 Kramer는 언젠가 주택과 벽에 분무하는 태양 전지 기술을 구현할 수 있기를 희망한다고 밝혔다.

유연한 막 위에 프린트되는 광에 민감한 CQDs는 테라스에 배치하는 가구에서 항공기 날개에 이르는 모든 종류의 곡선 표면을 가지는 제품을 코팅하는 데 사용될 수 있다. CQD를 코팅한 막을 이용하여 감싼 자동차 지붕 크기의 표면은 3개의 100와트 백열전구 또는 24개의 콤팩트 형광등에 동력을 공급하기 충분한 에너지를 생산할 수 있다.

그는 새로운 시스템을 sprayLD라고 명명하고 이 시스템은 재료가 한 번에 1개의 원자 두께 표면 위에 올리는 원자층 증착(ALD; atomic layer deposition)이라고 불리는 제조 공정에 중요한 역할을 한다.

지금까지는 화학적 코팅에 대한 비효율적이고, 느릴 뿐 아니라 고가의 조립 라인의 배치 공정을 통하여 표면 위에 빛에 민감한 CQDs를 결합하는 것만 가능했다. SprayLD는 종이 롤 위에 잉크를 적용함으로써 신문을 인쇄하는 것과 마찬가지로 막 또는 플라스틱과 같은 유연한 표면 위에 CQDs를 함유한 액체를 직접적으로 분사시킨다. 이러한 롤-투-롤 코팅 방법은 기존의 제조 공정에 훨씬 더 단순한 방식으로 태양 전지를 결합시킬 수 있다. 최근 Advanced Materials 저널(“효율적인 분무-코팅된 콜로이드 양자점 태양 전지”)과 Applied Physics Letters 저널(“곡선과 유연한 기질 위에 양자점 태양 전지)에 발표된 2개의 논문에서, Kramer는 sprayLD 방법이 태양 전지 효율에서 중요한 손실 없이 유연한 재료 위에 사용될 수 있다는 것을 보여주었다.

Kramer는 화방에서 몇 개의 통상적인 에어브러시와 미세한 물 입자를 가진 강철을 냉각시키기 위하여 제강 공장에 사용되는 스프레이 노출처럼 쉽게 이용 가능하고 합리적인 가격에서 이용할 수 있는 부품을 이용하여 sprayLD 장치를 구축했다.

양자점은 용액 상태로부터 증착되는 공정을 거쳐 합성되는 반도체 나노결정으로 저렴한 비용으로 태양 전지를 구현할 수 있는 가능성을 가진다. 불행하게도 현재까지 보고된 CQD 태양 전지는 스핀 코팅과 같은 배치 공정 방법으로만 구현 가능하기 때문에, 규모를 확대하는데 제한된 용량을 나타낸다. 분무 코팅(spray-coating)은 우수한 질의 장치를 생성하는 균일한 양자점 막을 제조하는 수단을 제공한다.

이 연구에서, 연구진은 이전에 조사되지 않았던 다양한 기질 배열에 CQD 태양 전지를 제조하는 분무 코팅 방법의 다재다능한 특성을 조사했다. 롤-투-롤 제조 공정으로 분무 코팅 방법의 가능한 이동성이 6.7%의 평균 동력 전환 효율을 가지는 장치를 생성하는 신속하게 회전하는 드럼에 배치된 6개 기질 위에 CQD 활성 층을 분무 코팅함으로써 테스트됐다.

연구진은 유연한 기질 위에 분무하는 시도를 수행함으로써 공정의 생산 능력을 테스트하는 한편, 기질은 개방된 회로 전압과 타협하지 않고 7.2%의 우수한 성능을 달성하는데 중요하다. 굴곡이 있는 한 개의 축을 가지는 기질 위에 증착시키고, 이후 연구진은 5%의 효율을 달성하는 굴곡이 있는 2개의 축을 가지는 구형 렌즈 기질 위에 CQD 태양 전지를 구축했다. 이러한 결과는 분무 방법을 이용하여 증착된 CQD가 거대 면적 제조 공정에 통합될 수 있으며, 비상용 형태의 태양 전지를 제조하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 보여 주었다.

앙자점 박막은 광 검출, 광 배출 및 광전지 등의 영역에서 활성 재료로 급속한 진보를 보였다. 용액 상태로부터 양자점 박막 제조는 액체 상태 재료 증착과 관련된 예측된 비용 감축을 이유로 많은 응용에 대하여 매력적인 선택 사항으로 자리 잡고 있다. 길고 절연성 지방족 리간드(aliphatic ligand)를 이용하여 감싼 콜로이드 상태의 안정적인 나노입자는 원래의 리간드를 짧은 2 기능성 리간드로 대체하는 고체 상태 리간드 교환을 통하여 반도체성 불용성 막을 형성하는데 사용됐다.

이 논문에서 연구진은 이러한 리간드 교환(ligand exchange)이 높은 분자량 복합체가 형성될 수 있으며, 납 올레산염(lead oleate)과 보다 더 짧은 전도성 리간드를 모두 함유한 의도하지 않은 부작용을 초래할 수 있다는 것을 보여 주었다. 이러한 용해가 어려운 복합체는 양자점 활성 층 내에 삽입될 수 있다.

연구진은 추가로 막 공정이 수행되는 동안 산성 처리를 추가함으로써, 이러한 복합체를 분해 및 세정할 수 있으며, 보다 더 우수한 질을 가지는 CQD 고체를 생성했다. 개선된 재료는 이전에 보고됐던 CQD 고체의 채용을 제어하기 위한 감소된 일련의 저항과 강화된 충전율(fill factor)을 가지는 광전 장치로 이어졌다.

양자점 태양 에너지 기술은 성능에서 급속하게 진보하고 있기 때문에, 그 규모를 어떻게 결정할지, 제조할 수 있는 새로운 태양 기술을 어떻게 구축할 것인지는 중요하다고 토론토 대학 소속의 응용과학 및 공학부 소속의 Ted Sargent 교수는 밝혔다. 이러한 매력적인 제조 가능한 분무-코팅 공정은 순도와 제어를 개선함으로써 우수한 성능을 보유한 장치로 이어질 수 있다고 Sargent 교수는 밝혔다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

ACS Nano 저널에 발표된 세 번째 논문(“양자점 고체에서 전기적으로 활성을 띠는 불순물”)에서, Kramer와 동료 연구진은 IBM사의 BlueGeneQ 슈퍼컴퓨터를 이용하여 분무된 CQDs가 배치 공정의 유사한 제품과 비교했을 때 어떻게, 왜 일부 사례에서 더 우수한 성능을 나타내는지 모형화했다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 분무식 태양 전지를 제공하는 기술