태양 전지 효율 높이는 방법

(왼쪽부터) 한상훈 DGIST 에너지공학과 석박사통합과정생, 최종민 DGIST 에너지공학과 교수, 김영훈 국민대학교 교수 [사진 = DGIST 제공]

국내 연구팀이 나노구조체의 형태와 태양전지의 효율 상관관계 및 유기물에 나노 패턴 형성을 위한 최적화된 조건을 체계적으로 규명하는데 성공했다. 이로 인해 유기물을 이용하는 다양한 광전소자에 응용할 수 있을 전망이다.

DGIST(대구경북과학기술원·총장 국양)는 최종민 에너지공학과 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 양자점 태양전지 후면에 나노구조체 전극을 도입해 태양전지의 빛 흡수 능력과 광전류 생성을 향상시켰다고 11일 밝혔다.

최근 신재생에너지 중 하나인 태양전지에 대한 관심이 높아지는 가운데, 양자점을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 특히 양자점 태양전지 분야 중에서도 페로브스카이트 양자점 태양전지는 최근 빠르게 에너지 발전 효율이 높아져 차세대 태양전지로써 각광 받고 있다.

그러나 페로브스카이트 양자점은 뛰어난 광전기적 특성에서 불구하고 태양전지 제작 시에 광흡수층을 두껍게 형성하지 못해 빛 흡수가 불충분하기 때문에 광전류 생성이 부족하다는 한계가 있다.

이에 연구팀은 페로브스카이트 양자점 태양전지의 후면 전극을 나노구조체로 형성해 전하의 추출량을 최적화시키는 두께는 유지하되, 빛 흡수 및 광전류를 향상 시키는데 성공했다. 페로브스카이트 양자점 태양전지의 정공 전달층에 나노임프린트 리소그래피 방법을 통해 나노 패턴을 형성하고 그 위에 전극 물질을 정공 전달층 나노 패턴의 굴곡을 따라 균일하게 증착함으로써 성공적으로 후면 나노구조 전극을 구현했다.

☞나노임프란트 리소그래피:미세한 정밀 금형을 이용해 나노 수준의 회로 패턴을 반도체 기판에 도장처럼 새겨 넣는 기법

연구팀은 다양한 높이와 주기를 갖는 나노구조 후면 전극을 형성, 나노구조의 형태와 빛의 흡수 능력, 나노구조로 인한 태양전지의 전기적 손실과의 관계를 규명했다. 이는 광학·전기적으로 효과적인 나노구조 후면 전극을 설계한 것으로 태양전지의 빛 흡수 능력을 향상시켰다. 또 전기적 손실 없이 태양전지의 효율을 극대화할 수 있었다.

더불어 태양전지를 비롯한 광전 소자의 전하 전달 물질로 많이 이용되고 있는 유기물의 유리 전이 온도와 유연성 사이의 관계로부터 나노임프린트 리소그래피를 위한 최적의 조건을 밝혔다. 향후 유기물을 전하 전달층으로 이용하는 다양한 광전 소자의 나노 패턴 형성 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

☞유리 전이 온도:고분자 물질을 가열한 경우에 유리의 딱딱한 형태에서 고무로 바뀌는 현상

한편, 이번 연구는 김영훈 국민대학교 교수팀, 백세웅 고려대학교 교수팀과의 공동 연구 결과로, 한상훈 DGIST 석박사통합과정생의 주도로 진행됐다. 한국연구재단과 DGIST R&D Program·한국연구재단 신진연구 과제 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 학술지인 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐다.

나노임프린트 리소그래피를 이용해 나노구조 후면 전극을 형성하는 공정을 나타낸 모식도. [사진 = DGIST]

국내 연구팀이 고분자 태양전지 에너지 전환율을 이전(7.4%)보다 20% 향상 8.9%까지 끌어올리는 기술을 개발했다. 이 기술은 차세대 태양전지로 각광 받고 있는 고분자 태양전지의 상용화에 가장 큰 문제점인 저효율 문제를 개선할 수 있는 것이어서 고분자 태양전지의 상용화에 성큼 다가서게 되었다.

* 고분자 태양전지(Polymer Solar Cell; PSC): 상용화된 기존의 무기 실리콘 태양전지가 지닌 고가 제조비와 제조 공정에서 발생하는 환경오염 물질 등을 해결하기 위한 대안으로 저가의 유기 태양전지가 최근 각광받고 있다. 그중 고분자 태양전지가 가격경쟁력, 공정의 유연성 및 응용 가능성이 매우 높아 유기태양전지의 주류를 이루고 있다.
* 논문명 : Multipositional Silica-Coated Silver Nanoparticles for
High-Performance Polymer Solar Cells

이 기술개발은 UNIST(울산과기대, 총장 조무제) 김진영 교수(42세), 박수진 교수(40세)와 최효성 박사과정(제1저자)이 주도하고, 충남대가 공동 참여했고, 지난 4월 말 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters’지 온라인 판에 게재되었다.
무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로서, 최근 전 세계적으로 저렴하면서도 효율이 높은 차세대 태양전지를 개발하고자 노력하고 있다. 하지만 실리콘박막을 이용한 태양전지는 고효율과 생산 안정성으로 주목받고 있지만 높은 생산단가에 비해 유연성이 떨어진다.
반면, 유기 고분자 태양전지는 제작방법이 간단하면서 저렴한 제조단가와 얇은 박막으로 제작이 가능하며, 유연하게 제작할 수 있는 등 무게나 두께, 형태에 제약이 적어 다양한 분야에 적용이 가능하지만 효율성이 낮아 상업화에 큰 어려움을 겪어왔다. 하지만 김진영 교수와 박수진 교수 공동 연구팀은 자체 개발한 실리카로 코팅된 은 나노입자([email protected])를 태양광 흡수를 극대화시키는 활성층에 코팅 (마치 빵에 잼을 바르는 공정)하여, 세계 최고 수준의 효율을 가진 고분자 태양전지 개발에 성공하였다.
* 세계최고: 2013년 UCLA대학 Yang Yang 연구팀의 경우 두 개의 단일층 태양전지를 연결한 적층형 고분자 태양전지를 제작하여 전체 고분자 태양전지 분야에서 가장 높은 10.6% 효율 보고.
* 2012년 South China대학 Hongbin Wu 연구팀은 반전된 구조의 단일층 고분자 태양전지에 새로운 버퍼층을 도입하여 단일층 고분자 태양전지 분야에서 가장 높은 9.2% 효율 달성.
* 연구팀기록: 우리 연구팀은 전형적 구조의 단일층 고분자 태양전지에 금속 나노입자 도입만으로 8.9% 효율 달성. 본 연구 결과는 단일층 고분자 태양전지에서 세계 최고 수준이며, 소자의 최적화를 통해서 10% 이상의 효율 달성도 가능하다고 생각된다. 그리고 본 연구는 태양전지, 발광다이오드 등 광전자 소자 분야 발전에 핵심기술이 될 것이다.
* 표면 플라즈몬 (surface plasmons): 금속과 유전체 사이의 경계면에서 발생하는 전자들의 집단적인 진동 현상
김 교수팀은 은 나노입자에 실리카를 코팅함으로써 기존의 금속 나노입자와 광활성층의 접촉에 의한 에너지 소실 문제를 해결하였으며, 나노입자를 정공수송층 위와 아래 각각 도입하여 나노입자와 광활성층 사이의 거리에 따른 태양전지 특성 변화를 관찰하는데 성공하였다.
또한 나노입자에 의한 전자기장 강화에 따른 광흡수 및 광산란 특성을 고분자 태양전지에 적절하게 이용함으로써 세계 최고 수준인 8.92%의 효율을 갖는 고분자 태양전지를 개발하였다.
김진영 교수는 “이번 연구성과는 모든 박막 태양전지에 적용 가능한 원천기술이며 차세대 고효율 태양전지 개발을 선도하는 국가들과의 격차를 줄인 획기적인 기술이다. 본 기술을 이용하게 되면 얇으면서도 효율이 높은 박막형 태양전지의 상용화를 앞당겨 앞으로 휴대폰이나 노트북 등 소형가전이나 휴대용 전자기기에 사용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
* 고분자 태양전지는 양극과 음극 사이에 빛에너지를 전기로 전환하는 활성층이 있다. 또한 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 양극과 활성층 사이에 정공수송층을, 음극과 활성층 사이에 전자수송층을 넣기도 한다.
* 유기태양전지 작동 원리는 고분자가 태양광을 흡수하여 엑시톤(exiton)을 형성하고 이후 엑시톤에서 분리된 전자를 전자받개로 전달하며 마지막으로 분리된 전자와 정공이 각각 전극으로 이동하는 3단계이다. 연구팀은 활성층에서의 태양광 흡수를 극대화시키는 방법으로 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용하였다.

* 은, 금, 구리, 백금을 포함한 금속 나노입자의 표면 플라즈몬 공명 현상을 이용한 고효율 고분자 태양전지를 개발하려면, 금속 나노입자와 광활성층 사이의 거리 조절이 중요하다. 나노입자와 광활성층 사이의 거리가 너무 가까워지면 에너지 소실(엑시톤 손실)이 일어나고 반대로 너무 멀어지게 되면 금속 나노입자의 플라즈몬 공명에 의해 발생된 전자기장 에너지가 감소되어 이를 이용하지 못하게 된다. 지금까지 고분자 태양전지 분야에서 금속 나노입자와 광활성층 사이의 거리에 따른 영향성에 대한 연구는 행해지지 않았다.
* 그리고 금속 나노입자와 광활성층 간의 직접적인 접촉으로 인한 에너지 소실 문제 때문에, 금속 나노입자를 정공수송층 아래 혹은 내부로 도입한 고분자 태양전지 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 세계수준의 연구중심대학 육성사업(WCU)과 ‘기후변화대응기술개발사업’, 한국에너지기술평가원이 지원하는 에너지국제공동연구의 지원으로 수행되었다.