“ A Secret Ingredient for Metal Nanocluster-Sensitized Solar Cells ”

금빛 태양전지의 효율을 높일 비법재료가 밝혀졌다. 한국연구재단은 한양대학교 바이오나노학과 방진호 교수 연구팀이 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요인임을 알아냈다고 밝혔다.

▲ 나트륨 이온에 의한 금 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 전류-전압 이력현상 변화에 대한 삽화  © 특허뉴스

금 원자가 육안으로 보일 정도로 모인 벌크 상태의 금은 반응성이 낮아 변하지 않는 귀금속으로 분류된다. 하지만 금 원자 수 십 개가 모인 금 나노클러스터는 원자단위로 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. 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 태양전지 보다 5배 이상 낮아, 광전환 효율과 안정성 향상을 위한 다양한 연구가 이뤄져 왔다.

그 가운데 연구팀은 전극제조 과정에 쓰이는 나트륨 이온이 금 나노클러스터와 전극과의 흡착을 돕는 요인임을 알아냈다. 빛을 흡수한 금 나노클러스터에서 전자가 생성되면 접합되어 있는 반도체 산화물 전극(TiO2)으로 이동한 후 전자가 백금 상대 전극으로 수송되면서 전기가 생성된다.

▲ 금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 성능평가 결과  © 특허뉴스

이 때 나트륨 이온이 광흡수체와 산화물 전극간 흡착을 강하게 함으로써 생성된 전자의 분리와 원활한 수송을 촉진, 광전환 효율을 높이는 열쇠라는 것을 알아냈다.

중금속이 아닌 금 나노클러스터를 광흡수체로 이용하는 것은 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 보다 유리할 수 있어 금 나노클러스터 태양전지 효율 향상의 실마리를 제공한 이번 연구성과가 특히 주목받는다.

이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 5월 8일 표지논문으로 게재되었다. 

▲ 방진호 교수  © 특허뉴스