나노로드 구조 고효율 박막 태양전지

[산업일보]
0.6㎛ 길이를 갖는 산화물 나노로드(나노막대)에 광흡수물질을 흡착해 광전변환 효율 9.4%를 갖는 박막 태양전지 기술이 국내 연구진과 싱가포르 난양공대 연구진의 공동연구에 의해 개발됐다.

성균관대학교 박남규 교수 연구팀은 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받아 연구를 수행했으며, 연구성과를 나노관련 최고 전문지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지에 5월 16일자 온라인판에 발표했다. (논문명 : High Efficiency Solid-State Sensitized Solar Cell-Based on Submicrometer Rutile TiO2 Nanorod and CH3NH3PbI3 Perovskite Sensitizer)

구조적으로 나노로드는 1차원으로 정렬된 형태로서 광흡수체로부터 받은 광전자가 전달되는 길이 잘 발달돼 광전자의 거동에 유리함에도 불구하고, 3차원(입체형) 나노입자에 비해 광흡수체의 흡착면적이 작아 높은 광전변환 효율을 기대하기 어렵기 때문에 그간 고효율 박막 태양전지 개발은 나노입자를 중심으로 이뤄져 왔다. 기존 나노로드를 활용한 박막 태양전지 효율은 4～5%를 넘지 못했다.

박남규 교수팀이 지난 2012년 8월 ‘네이처 사이언티픽 리포트(Nature Scientific Report)’지에 발표한 연구결과도 나노입자를 활용한 것으로, 이산화티타늄(TiO2) 나노입자에 CH3NH3PbI3 화학식을 갖는 페로브스카이트라는 유무기복합 반도체 광흡수 물질을 흡착해 9% 이상의 고효율 박막 태양전지를 세계 최초로 개발했다는 내용이다.

페로브스카이트는 ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 A양이온은 X음이온과 12배위를 하고 B는 X와 6배위를 하며, 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이다.

이번 연구결과는 논문 발표 이후 불과 9개월 만에 30회 이상의 높은 인용지수를 보여 박막 태양전지 개발의 핵
심 기술로 인정받은 바 있으나, 나노입자의 구조상 입자가 연결된 부위마다 마디가 생성돼 광전자가 이 마디를 통해 빠르게 재결합됨으로써 전압이 낮아지는 문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있었다.

연구팀은 광전자의 거동에 유리한 나노로드 구조의 장점을 살리고 기존 연구를 통해 개발된 광흡수체 페로브스카이트 물질을 활용해 9.4% 고효율 박막 태양전지를 개발하는데 성공했으며, 이는 나노로드를 이용한 박막 태양전지 기술로는 세계 최고 수준이다.

염료감응 태양전지에서 사용되는 산화물이 일반적으로 아나타제상을 갖는 나노입자 이산화티타늄(TiO2)인데, 박남규 교수팀이 사용한 나노로드는 광활성이 낮은 것으로 알려진 루타일상을 가지면서 비표면적(염료를 흡착할 수 있는 표면적)이 나노입자의 5분의 1 수준이라는 점에서 더욱 의의가 크다.
향후 나노로드 태양전지 연구결과를 토대로 보다 효율적인 나노구조체와 유무기복합 광흡수체를 이용할 경우 15% 이상의 고효율 태양전지가 실현될 것으로 전망된다.