금 나노클러스터 전지 효율 높일 나트륨 역할 규명
[기계신문] 금빛 태양전지의 효율을 높일 비법재료가 밝혀졌다. 한양대학교 바이오나노학과 방진호 교수 연구팀이 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요인임을 알아냈다.
금 나노클러스터는 금 원자가 여럿이 모여 만든 나노 크기의 클러스터로, 탄소 원자 60개가 축구공 모양을 이룬 풀러렌처럼 원자나 분자가 여럿이 모여 덩어리를 이루면 원래 원자나 분자와는 전혀 다른 성격을 지닌다.
금 원자가 육안으로 보일 정도로 모인 벌크 상태의 금은 반응성이 낮아 변하지 않는 귀금속으로 분류된다. 하지만 금 원자 수십 개가 모인 금 나노클러스터는 원자 단위로 제어할 수 있고 활성을 띨 수 있어 화학반응의 촉매나 플랫폼 등으로 이용된다.
특히 금 원자 22개가 육팔면체(14면체) 구조로 모인 금 나노클러스터(Au22)는 기존 나노클러스터와는 차별화되는 독특한 코어/쉘 구조 때문에 빛을 잘 흡수할 수 있다.
이 때문에 실리콘이나 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 중금속 광흡수체에 비해 친환경적인 광흡수체인 금 나노클러스터는 차세대 태양전지 소재 가운데 하나로 꼽힌다.
하지만 빛을 전기로 변환하는 광전환 효율이 기존 실리콘 태양전지보다 5배 이상 낮아, 광전환 효율과 안정성 향상을 위한 다양한 연구가 진행돼온 가운데, 연구팀은 전극제조 과정에 쓰이는 나트륨 이온이 금 나노클러스터와 전극과의 흡착을 돕는 요인임을 알아냈다.
정제과정에서 제거되는 나트륨 이온의 존재가 금속 나노클러스터와 금속 산화물 TiO2 간 계면의 흡착 모드와 흡착 강도에 중대한 영향을 미치고, 이것이 광전환 효율과 전류-전압 이력현상의 주원인임을 규명하였다.
빛을 흡수한 금 나노클러스터에서 전자가 생성되면 접합되어 있는 반도체 산화물 전극(TiO2)으로 이동한 후 전자가 백금 상대 전극으로 수송되면서 전기가 생성된다.
이때 나트륨 이온이 광흡수체와 산화물 전극 간 흡착을 강하게 함으로써 생성된 전자의 분리와 원활한 수송을 촉진, 광전환 효율을 높이는 열쇠라는 것을 알아냈다.
방진호 교수는 “중금속이 아닌 금 나노클러스터를 광흡수체로 이용하는 것은 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 보다 유리할 수 있어 금 나노클러스터 태양전지 효율 향상의 실마리를 제공했다는 데 의의가 있다”고 평가했다.
이번 연구를 통해 금속 나노클러스터 광전극에서의 새로운 계면 효과를 규명, 무독성/친환경 태양전지라는 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 것으로 기대된다.
광전극에서의 계면 특성과 광전극의 물리적 성질 간의 상관관계를 밝힘으로써 새로운 연구 패러다임을 제시하는 한편, 광전환 효율과 안정성이 향상된 소재 디자인에 기여할 전망이다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원 사업(중견연구)과 교육부·한국연구재단이 추진하는 대학중점 연구소의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 5월 8일 표지논문으로 게재되었다.
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