은 나노입자로 태양전지 안전성·효율 두 마리 토끼 다 잡았다

[이데일리 이연호 기자] 은빛 태양전지의 시대가 열릴 전망이다. 방진호 한양대학교 교수 연구팀이 은 나노입자를 이용한 태양전지의 안정성을 확보하고 광전환 효율도 획기적으로 끌어올렸다고 한국연구재단은 3일 밝혔다.

개발된 은 나노클러스터의 구현 모식도 및 성능 비교. (위) 산성도 제어를 통한 응집 유도 형광 증폭형 은 나노클러스터의 구현 모식도. (아래) 신개념 은 나노클러스터의 우수한 광전환 효율과 안정성. 그래픽=한국연구재단.

광전환 효율은 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율을 퍼센트로 표시한 것을 말한다.

은(silver)은 무독성이고 친환경적이며 빛을 잘 흡수하는 소재다. 그 장점을 살려 은을 광흡수체로 사용하는 태양전지 연구개발이 관심을 모으고 있지만 기술적 한계에 직면했다. 금 나노입자를 이용한 태양전지 시스템의 성공적인 구현과 달리 은 나노입자의 경우 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명이 걸림돌이 됐다.

여기 전자 수명(excited state lifetime)은 빛에 의해 높은 에너지 상태로 이동된 전자가 이 상태에 머무르는 시간을 가리킨다.

연구팀은 은 나노입자의 표면에서 은(Ag)과 황(S)의 복합체가 응집되도록 유도하는 합성법을 개발해 은 나노입자의 단점을 극복했다. 이로써 태양전지의 광전환 효율을 2배 끌어올리고 안정적으로 구동되는 시간을 수십 배 향상시켰다.

은 나노입자가 복합체에 둘러싸이면서 안정성이 대폭 향상되고 은 나노입자의 표면에서 중심부를 향한 전자의 이동이 용이해져 여기 전자 수명도 크게 높아질 수 있었다.

방진호 교수는 “금 나노클러스터에 이어 은 나노클러스터의 태양전지 응용 가능성을 확보함에 따라 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구의 의의를 설명했다.

3세대 태양광 전환 시스템은 2세대 박막형 태양전지의 뒤를 잇는 차세대 태양전지로 효율이 높고 친환경적인 제품이다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부·교육부·한국연구재단 기초연구사업(신진연구, X-프로젝트, 대학중점연구소지원사업)의 지원으로 수행됐다. 미국화학회의 저명한 국제학술지 ‘ACS 응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’에 4월 3일 표지 논문으로 게재됐다.