금 이용해 유기 태양전지 효율향상 길 열어

재료연구소는 표면기술연구본부 임동찬 박사와 울산대학교 조신욱 교수, 성균관대학교 김영독 교수 등 공동연구팀이 금 입자의 원자 개수를 조절할 수 있는 기술을 개발해 금이 특정 빛을 내도록 했다고 밝혔다. 연구팀은 원자 개수 조절로 금이 반도체의 성질을 갖는 것을 확인, 실제 유기 태양전지 소자에 적용해 효율을 향상시켰다. 이번 연구 성과는 에너지 재료 분야 최고 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼(Advanced Energy Materials) 온라인판에 소개됐으며, 표지 논문으로 선정됐다.

프라즈몬 특성 이용한 태양전지 효율 향상
금 입자의 원자 개수를 정확히 38개로 조절함으로써 특정 파장에서 빛을 내는 반도체 특성을 갖는 초소형 금 나노입자를 개발했다. 이를 유기태양전지에 적용하면 값비싼 금을 소량만 사용해도 기존 대비 효율을 약 20% 이상 향상시킬 수 있다.
연구팀은 이번에 개발된 기술을 적용하면 금이 태양광 역할을 할 수 있다고 밝혔다. 즉, 반도체 특성을 갖게 된 금 나노입자가 태양의 가시광과 같은 빛을 내게 되는 것이다. 태양에서 흡수된 빛과 금 나노입자에서 나온 빛 두 가지를 모두 활용해 유기 태양전지의 전체적인 효율이 상승된 것이다.

연구팀은 습식 공정을 이용해 빛을 내는 특성을 보이는 금 나노입자를 제조하고, 실제 응용 가능하도록 금 나노입자의 표면처리/분산 기술을 개발해 유기 태양전지 소자에 적용했다. 특히, 원자 개수를 정확히 제어해 원하는 발광 특성을 얻었다.
또한, 금 원자 38개로 이뤄진 금 나노입자의 크기는 약 1.6nm 정도의 초소형 입자로 그동안 금 나노입자의 태양전지 소자에 적용시 문제점으로 지적돼온 균일 분산 문제도 걱정할 필요가 없게 됐다.

지금까지 태양전지의 효율을 향상시키기 위해 시도된 다양한 소재 기술 중 금의 경우, 광학적 성질인 플라즈몬(Plasmon) 특성을 이용하곤 했다. 이때 금 나노입자의 크기는 5~30nm이다. 그 이하의 크기에서는 플라즈몬 특성이 급격히 감소하며, 클 경우에는 태양전지 소자 내에 균일하게 분산시킬 수 없었다.
금은 전기·전자 소자의 회로, 촉매뿐만 아니라 최근에는 플라즈몬 현상과 같은 고유의 광학적 특성으로 광전자 소자에도 많이 응용되고 있다. 그러나 이는 대부분 금의 금속적인 전도체 특성을 이용한 결과이다.

연구팀이 개발한 금은 금속성이 아닌 반도체와 유사한 특성을 보일 뿐 아니라 원자 개수를 추가로 제어하면 반도체 특성을 자유자재로 변이시킬 수 있다. 즉, 다양한 빛을 활용할 수 있는 것이다. [IMAGE5]이에 따라 태양전지, 디스플레이, 바이오 이미징 등과 같은 새로운 시장을 창출할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 원자 수가 변했을 때 나타나는 광학적 특성 분석 및 대량 생산을 위한 연구를 계속하고 있다. 특히, 독이 없는 금의 특성을 이용해 바이오 이미징에 적용하는 것을 추진 중에 있다.

연구를 주도한 임동찬 박사는 “원자 개수 조절을 지금보다 더 자유자재로 하게 되면 기존에 알지 못했던 새로운 금의 성질을 더 찾을 수 있을 것”이라며, “고가의 소재로 인식돼 온 금의 적용을 획기적으로 증가시킬 수 있는 원천기술이라 의미가 있다”고 말했다.

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자(st@infothe.com)

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