은 나노입자 태양전지의 안정성‧효율 향상
은 나노입자 태양전지의 안정성‧효율 향상
  • 함예솔
  • 승인 2019.04.03 14:45
  • 조회수 1076
  • 댓글 0
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뭘 개발했나?

 

  • 한양대학교 방진호 교수 연구팀이 은 나노입자를 이용해 태양전지의 안정성을 확보하고 광전환 효율도 획기적으로 끌어올렸다고 합니다.

 

개발된 은 나노클러스터의 구현 모식도 및 성능 비교. 출처: 한국연구재단
개발된 은 나노클러스터의 구현 모식도 및 성능 비교. 출처: 한국연구재단

은(silver) 나노입자 왜 이용했나?

 

  • 은(silver)은 무독성이고 친환경적이며 빛을 잘 흡수하는 소재입니다. 
  • 이 장점을 살려 은을 광흡수체로 사용하는 태양전지 연구 개발이 관심을 모으고 있지만, 기술적 한계에 직면했습니다. 
  • 금 나노입자를 이용한 태양전지 시스템의 성공적인 구현과 달리, 은 나노입자의 경우 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명(excited state lifetime)이 걸림돌이 됐습니다. 참고로 여기 전자 수명(excited state lifetime)이란 빛에 의해 높은 에너지 상태로 이동된 전자가 이 상태에 머무르는 시간을 말합니다.  

 

은 나노 입자~ 출처: fotolia
은 나노 입자~ 출처: fotolia

어떻게 조사했나?

 

  • 연구팀은 은 나노입자의 표면에서 은(Ag)와 황(S)의 복합체가 응집되도록 유도하는 합성법을 개발해 은 나노입자의 단점을 극복했습니다.
  • 이로써 태양전지의 광전환 효율을 2배 끌어올리고 안정적으로 구동되는 시간을 수 십배 향상시켰습니다. 
  • 은 나노입자가 복합체에 둘러싸이면서 안정성이 대폭 향상됐고 은 나노입자의 표면에서 중심부를 향한 전자의 이동이 용이해져서 여기 전자수명도 크게 높아질 수 있었습니다.

 

세 가지 크기의 은 나노클러스터를 이용한 태양전지 성능 평가 결과. 출처: 한국연구재단
세 가지 크기의 은 나노클러스터를 이용한 태양전지 성능 평가 결과. 출처: 한국연구재단

특이한 점은?

 

  • 연구진은 응집 유도 발광(AIE)현상을 구현할 수 있는 새로운 'AIE-타입 은 나노 클러스터' 합성을 통해 은 나노클러스터의 한계를 극복했습니다. 응집 유도 발광(AIE) 현상이란, 발광체의 응집에 의해 유도되는 형광증폭 현상을 말합니다. 
  • 기존 은 나노클러스터와는 달리 은 이온과 황으로 이뤄진 리간드가 결합한 분자구조인 '은 -싸이올레이트 컴플렉스'의 표면 응집을 통해 은 나노클러스터의 안정성을 대폭적으로 향상시켰습니다. 
  • 연구진은 은 나노클러스터에서 발생하는 표면에 위치한 리간드에서 내부에 있는 금속 코어로 전자가 이동되는 현상인 '리간드-메탈 전하전이'현상을 촉진해  여기 전자 수명(excited state lifetime)을 크게 높일 수 있었습니다. 


이 연구가 왜 중요할까?

 

  • 금 나노클러스터에 이어 은 나노클러스터의 본격적인 태양전지 시스템에서의 응용 가능성을 확보함에 따라 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대됩니다. 
  • 소재 한계 극복을 위한 기초 연구가 축적됨으로써, 광전환 효율과 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 소재 디자인의 기본 원리를 확립할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

 

방진호 교수. 출처: 한국연구재단
방진호 교수. 출처: 한국연구재단

 

 

 

"금 나노클러스터에 이어 은 나노클러스터의 태양전지 응용 가능성을 확보함에 따라 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대합니다"

-방진호 교수-

 

 

 

 

 

 


##참고자료##

 

Abbas, Muhammad A., et al. "Ag (I)-Thiolate Protected Silver Nanoclusters for Solar cells: Electrochemical and Spectroscopic Look into Photoelectrode/Electrolyte Interface." ACS applied materials & interfaces (2019).

 

 


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