연구자 인터뷰

금빛 태양전지의 비밀이 밝혀지다 방진호교수(한양대학교 바이오나노학과)
염료감응형 태양전지와 유사한 방식으로 구동하는 금속 나노클러스터 감응형 태양전지는 친환경 광흡수체인 금을 활용하기에 3세대 태양전지로 비상한 관심을 받고 있다. 광전환 효율의 비약적인 향상과 금이나 은 등 다양한 금속 소재로의 다양성 확장으로 차기 개발 단계로의 도약을 위한 시도가 이뤄지고 있는 것이다.
그럼에도 독특한 물리적 성질을 가진 금속 나노클러스터의 물성이 광전환 효율에 미치는 영향에 대해서는 아직 많이 알려져 있지 않다. 특히 광전극의 효율을 높이기 위해서는 광전극 디자인의 핵심인 각종 계면에서의 물리적 특성에 대한 통합적 이해를 위한 심도 있는 기초연구가 필요하다.
연구팀은 금속 나노클러스터 기반 광전극 제조시 광흡수체의 산화물 전극 흡착 과정에서 나타나는 아주 미묘한 정제 공정차이가 광전극의 효율을 크게 좌우하는 것을 관찰했다. 이후, 연구를 통해 정제과정에서 제거되는 나트륨 이온의 존재가 금속 나노클러스터와 금속 산화물 TiO2간 계면의 흡착 모드와 흡착 강도에 중대한 영향을 미치고, 이것이 광전환 효율과 전류-전압 이력현상의 주원인임을 규명했다.
광흡수체와 감응 지지체 산화물간 계면의 효과가 금속 나노클러스터 광전극에서는 두드러지게 나타나고, 이를 알칼리 이온들의 첨가를 통해 억제할 수 있따는 것을 규명하여 광전환 효율과 안정성을 확보할 수 있는 새로운 솔루션을 제시한것 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 기초연구지원사업(중견연구)과 교육부 한국연구재단이 추진하는 대학중점연구소의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제 학술지 '에이씨에스 에너지 레터스'에 5월 8일자 표지논문으로 게재되었다.
연구자 Q&A 방진호교수 Q.연구를 시작한 계기나 배경은? 연세대 이동일 교수 연구팀에서 보고한 금 나노클러스트 Au22(SG)18의 우수한 광학적 특성에 대한 호기심으로 공동연구를 시작하게 되었는데, 당초 기대와는 달리 이해할 수 없는 낮은 광전환 효율이 관찰되어 그 원인을 규명하고자 본 연구가 시작되었다. Q.연구전개과정에 대한 소개 이동일 교수 연구팀과 본 연구팀이 합성하는 금 나노ㅓ클러스터의 정제과정의 차이를 우연히 눈여겨 볼 수 있는 계기가 있었고, 정제과정에서 제거되는 금속 이온들이 특이한 태양전지 거동의 주원인일것이라는 가설을 세우고, 가설 증명을 위한 체계적인 연구를 수행하였다. Q.연구하면서 어려웠떤 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지? 기존 광전극 시스템에서는 관찰되지 않는 새로운 계면현상의 효과였기 때문에, 알칼리 이온의 계면효과에 대한 근본적인 이해를 구하는 것이 매우 어려웠따. 아직 많은 부분들이 미제로 남아있지만, 금 나노클러스터와 금속 산화물간의 흡착 강도와 흡착모드의 미묘한 차이를 분광학적인 방법을 통해 확인함으로써 새로운 계면효과를 증명할 수 있있다. Q. 이번 성과, 무엇이 다른가? 금속 나노클러스터 기반 광전극에서 그동안 밝혀지지 않은 새로운 계면효과를 규명함으로써, 무독성/친환경 태양전지라는 신개념을 3세대 태양광 전환 시스템 개발에 중요한 원천기술을 확보하였을 뿐만 아니라 , 광전극에서의 계면 특성과 광전극 거동간의 상관관계를 밝혀냄으로써 관련 학ㅁ누 분야에 새로운 연구 패러다임을 제시하게 되었다. Q.실용화 된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 타 광흡수 소재에 비해 아직 가격적인 경쟁력이 떨어지는 부분과 광전환 효율을 향상시킬 수 있는 여러가지 시스템적인 요소의 최적화가 이루어질 경우 실용화에 한걸음 더 다가갈수 잇을 것으로 기대한다. Q.꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 향후 계면 특성과 광전극 거동간의 상관관계의 통합적 이해를 위한 후속연구를 수행할 계획이며, 이를 통해 금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 안정성을 높여 경제성이 확보된 무독성/친환경 태양전지 시스템을 개발하고 싶다.
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