한국재료연구원(KIMS) 표면재료연구본부 송명관 박사 연구팀과 ㈜CEN 연구총괄책임자인 한상철 박사는 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수와 함께 은(Ag) 입자가 포접된 다공성(메조포러스) 실리카 나노구상입자를 이용해 극한환경에서도 작동하는 고효율의 고체 섬유형 태양전지를 개발하는데 성공했습니다. 본 연구는 <Nano Research>에 게재됐습니다.
극한 환경에서도 작동하는 태양전지
전하수송층인 다공성-이산화티타늄(TiO2) 층은 비표면적(표면적/부피)이 높아 광활성층인 염료의 흡착성이 우수하다는 장점이 있지만, 높은 밴드갭(Eg = 3.2 eV)으로 인해 가시광 영역에서의 광 수확이 어렵다는 단점이 있습니다.
- 밴드 갭(Band Gap)
반도체와 절연체에서, 가전자대와 전도대 간에 있는 전자상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차를 말합니다. 밴드 갭의 대소로 그 물질의 전기 전도성 정도가 결정됩니다.
연구팀은 이를 보완하고자 광촉매가 합성된 전하수송층 소재 개발에 집중했습니다. 연구팀은 다공성-이산화티타늄 층에 은(Ag)이 내장돼 있는 이산화규소(SiO2) 나노입자를 합성해 국부적 표면 플라스몬 공명(LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance)을 통해 향상된 광 수확과 전하수송 효과를 얻었습니다. 이를 통해, 고체섬유형 태양전지의 실험군 대비 약 36% 향상시킨 5.3% 이상의 광전변환효율(PCE, Power Conversion Efficiency)을 얻을 수 있었습니다.
앞서 연구팀은 롤투롤 공정이 가능한 고체전해질을 활용한 섬유형 태양전지를 개발한 바 있었는데요. 또한 태양전지의 핵심소재인 다공성-이산화티타늄(TiO2) 전하수송층에 은(Ag)이 내장돼 있는 다공성 이산화규소(SiO2) 나노입자를 이용해 태양전지 성능을 획기적으로 향상시킨 고체 타입의 섬유형 태양전지를 구현하는데 성공하기도 했습니다.
고성능 및 고안정성 고체 타입의 섬유형 태양전지 산업은 기존의 실리콘 태양전지에 비해 저렴한 비용과 가공의 용이성, 소재의 유연성과 다양성 등의 강점을 바탕으로, 미래 웨어러블 및 프린터블 시장 등으로 대표되는 유비쿼터스 태양전지 시대를 선도할 것으로 예상됩니다.
본 기술은 낮은 단가와 간단한 합성방법을 이용해 대량생산뿐만 아니라 태양전지의 광전변환효율을 극대화 할 수 있는 은(Ag)이 내장돼 있는 다공성 이산화규소(SiO2) 나노입자를 이용해 극한환경에서도 안정적으로 작동이 가능한 섬유형 태양전지입니다.
연구책임자인 한국재료연구원 송명관 책임연구원은 "극한환경에서도 안정한 고체 타입의 섬유형 태양전지 구현을 위해, 전하수송층 개발의 새로운 관점을 제시했다"며 "향후 배터리와 같은 에너지 저장장치와 접목시켜 다양한 휴대용 전자기기의 전원공급 장치로 활용할 수 있을 것으로 전망한다"고 말했습니다.
기술의 핵심 소재를 개발한 CEN의 한상철 박사는 "세계 최초로 메조포러스 실리카 나노입자(MSNs)를 대량생산 할 수 있는 CEN의 SMBTM기술을 통해서 태양광 발전효율에 획기적인 기틀이 마련되기를 바라며, 4차 산업과 우리 정부가 추구하는 재생에너지 및 2050 탄소중립 비전 정책에도 기여할 수 있기를 바란다"고 전했습니다.
