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태양전지 재료 및 디바이스 연구

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원가가 저렴한 신형 태양전지 핵심 재료 및 고 성능 디바이스를 개발하는 과제는 태양전지 양산을 실현하고 미래 사회 에너지 문제를 해결하는데 있어서의 핵심 과제가 되는 동시에 관련 분야 연구 이슈 및 난제 중 하나가 되고 있다. 

국가자연과학기금위원회, 국가과학기술부와 중국과학원의 관련 과학연구 프로젝트 비용 지원을 받아 중국과학원 화학 연구소 산하 ‘분자 나노 구조 및 나노 기술 중점 실험실’ 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 태양전지 재료 및 디바이스 연구에서 혁신적인 성과를 취득하여 이슈가 되고 있다. 

연구팀은 3차원 전기전도 네트워크와 조립 구조에 기반하여 효율적인 ‘양자 점 감응형 태양전지 재료(Quantum dot sensitized solar cell materials)’를 디자인하고 개발한 동시에 원가가 저렴한 ‘박막 태양전지 재료(Thin-film solar cell materials)’ 연구 분야에서도 혁신적인 성과를 취득하였다. 

연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 ITO 나노 와이어 칩 층과 Cu2S 나노 결정 쉘 층을 이용하여 ITO@Cu2S 나노 와이어 배열을 조립하는데 성공하였으며, 3차원 전기전도 네트워크 구조를 보유한 재료를 이용하여 양자점 감응형 태양전지 개발하였다. 연구팀이 개발한 양자 점 감응형 태양전지는 전통 재료보다 우수한 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다(Nano Lett., 2014, 14, 365). 

연구팀은 Cu2S 나노 결정 쉘 층을 우선적으로 구축하는 방법을 통해 조립 구조 중의 ITO 나노 와이어 칩 층과 Cu2S 나노 결정 쉘 층 사이의 인터페이스가 전지 성능에 끼치는 영향에 대해 심층적인 연구를 실행함으로써 전지의 전환 효율을 한층 더 향상시키는데 성공하였다(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 15448). 

연구팀은 관련 연구 결과를 기반으로 하고 네트워크화 멀티 레벨 조립 디자인을 통해 ITO@Cu2S 나노 와이어 배열 구조를 사용하여 2급 및 3급 구조를 조립하였다. 연구팀은 이런 전극 재료를 이용하여 양자점 감응형 태양전지의 전환 효율을 6% 이상 향상시키는데 성공하였다. 

연구팀이 개발한 신형 전극 재료는 전지 운행 과정에서 터널 접합을 형성하며 디바이스 병렬 연결 전기 저항을 감소시키는 동시에 직렬 연결 전기 저항 및 채우는 인자를 향상시켜 전지의 전환 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다. 연구팀은 이번 연구를 통해 전통 금속 구리/황화 서브 구리의 쉬운 탈락, 관련 작업을 안정시키지 못하는 난제를 해결하는데도 성공하였다(Nano Lett., 2015, 15, 3088). 

원가가 저렴한 박막 태양전지 재료에 대한 탐색은 미래 태양전지 양산을 통해 전력 산업의 발전을 추진하는데 있어서 필수적인 루트로 되고 있다. FeS2는 구성 원소로서 독성이 없고 저장량이 풍부한 재료로서 합리적인 밴드 갭 폭, 광 흡수 계수, 충족한 캐리어 확산 길이를 보유하고 있기 때문에 일종 이상적인 저 원가의 환경 친화적인 박막 태양전지 재료 중 하나로 되고 있다. 최종적인 응용에 있어서 핵심 중 하나는 원가가 저렴한 합성 방법으로 공기 중의 안정적인 순수 입방 상(Pure cubic phase) FeS2 재료를 개발하는 것이다. 

최근 중국과학원 화학 연구소 산하 ‘분자 나노 구조 및 나노 기술 중점 실험실’ 연구팀은 관련 연구를 통해 일종 용해 액체 위상의 특정 방향에 집중하는 루트에 기반하여 공기 속에서 안정적인 순수 입방 상 FeS2의 마이크로, 나노 재료를 제조하는 방법을 개발하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 용제(Solvent) 유도 하에서 제어 가능하게 구형(球形)과 유사한 FeS2 나노 결정, FeS2 나노 입방체를 개발하는데 성공한 동시에 FeS2 나노 결정으로 조립한 마이크로 구(球) 등 재료를 개발하는데 성공하였다. 

연구팀은 구면 수차 보정 전자 현미경(Spherical aberration corrected electron microscopy)을 이용하여 FeS2 초시기 나노 결정 입자의 특정 방향 집중 성장 과정을 정밀 분석하는데 성공하였다. 연구팀은 라만 광 스펙트럼 시스템에 대한 연구를 실행하고 적합한 용제(Solvent)를 선택하여 공기 속에 안정적으로 최소한 1년 이상 노출한 다양한 형태의 FeS2 재료를 개발하였다. 연구팀은 이번 연구를 통해 FeS2 재료에 기반한 원가가 저렴한 박막 태양전지 연구를 위해 중요한 기술 기반을 구축하였다(J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 2211). 


그림 1. ITO@Cu2S 나노 와이어 배열을 효율적인 양자 점으로 사용하는 감응형 태양전지의 전극 재료 표시도. 

그림 2. 용제(Solvent) 유도 하에서 특정 방향으로 집중하여 생장하는 다양한 형태의 FeS2 마이크로 나노 재료 표시도. 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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