Center for Relativistic Laser Science

종이처럼 쌓아 만드는 나노 태양전지 첫 개발

유우종교수팀 논문‘네이처 나노테크놀로지’게재
기존 전지보다 양자효율 50배 이상 높아져
고성능 그래핀 기반 태양전지 상업화에 크게 기여할 듯

국내 연구진이 미국 연구진과 함께 종이와 같은 평면형 나노물질인 그래핀, 황화몰리브데넘을 간단하게 쌓아올리는 방식으로 태양전지를 제작하는 기술을 개발하여 향후 고성능 그래핀 기반 태양전지의 상업화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 이 연구결과는 저명한 국제저널인 ‘네이쳐 나노테크놀로지’에 최근(10월 27일) 게재됐다.

연필심으로 사용되는 흑연의 표면층을 원자 두께로 한 층만 살짝 떼어낸 그래핀은 2004년 영국의 가임교수와 노보셀로프교수가 발견하여 2010년 노벨물리학상을 수상한 이래, 구리보다 높은 전기전도도와 다이아몬드보다 높은 강도로 인해 '꿈의 신소재'라 불리며 전 세계적으로 활발히 연구되고 있다.
또한 최근 발견된 황화몰리브데넘의 두께는 그래핀과 비슷한 원자 크기이며, 너비는 수 미터에 이르는 종이와 같은 평면구조를 가져 두 물질이 서로 찰떡궁합의 관계를 보여준다. 뿐만 아니라 황화몰리브데넘은 반도체 특성이 있기 때문에 금속도체 특성이 있는 그래핀의 응용에 걸림돌이 되어 온 컴퓨터나 스마트폰의 메모리칩이나 태양전지에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
유우종(31) 성균관대 전자전기공학부/나노구조물리연구단 교수는 캘리포니아 주립대와 공동연구에서 그래핀과 황화몰리브데넘을 순차적으로 쌓는 방식으로 태양전지를 제작할 수 있다는 것을 세계 최초로 보여주었다. 이렇게 제작된 태양전지는 그래핀만 사용한 기존의 태양전지에 비해 50배 이상의 양자효율을 보였다. 같은 방식으로 제작된 반도체소자에서 수직으로 전류가 흐르게 되어 수평으로 전류가 흐르는 기존 소자에 비해 25배 이상의 전류가 흐를 수 있다는 유우종교수의 연구논문이 지난 3월 ‘네이처 머티리얼즈’에 게재되기도 했다.
유우종 교수는 “선행연구에서 종이와 같은 평면형 나노물질인 그래핀과 황화몰리브데넘을 순차적으로 쌓는 방식의 반도체 소자의 제작을 보여줬는데, 이번 연구는 같은 방식을 이용하여 고성능 태양전지를 제작할 수 있다는 것을 입증한것이다. 이 제작방법은 매우 간단하고 다양한 전자소자에 쉽게 적용할 수 있다." 고 밝혔다.
높은 전자이동도를 갖고 있는 그래핀은 현재 실리콘을 대체할 물질로 주목받고 있지만, 빛을 전기로 바꾸기 위해 필수적인 반도체 특성을 가지고 있지 않아 태양전지로의 적용에 걸림돌이 되어 왔다. 그런데 이번 연구에서 도체 특성을 갖는 그래핀을 전극으로 활용하여 반도체 특성의 황화몰리브데넘의 위와 아래에 겹쳐 쌓는 방식으로 태양전지를 제작함으로써 이를 해결할 수 있었다. 이렇게 제작된 태양전지는 반도체 특성을 갖는 황화몰리브데넘에서 빛이 전기로 변환 되고, 변환된 전기가 그래핀을 통해 빠르게 밖으로 흘러 나감으로써, 그래핀을 사용한 기존의 태양전지에 비해 50배 이상의 양자효율을 보인 것이다.
이번 연구의 또다른 성과는 외부전계로 양자효율을 더욱 높일 수 있다는 것. 원자 두께의 얇은 그래핀에 외부전계를 가하면 전계가 그래핀을 쉽게 통과하게 된다. 빛이 황화몰리브데넘에서 +전자(홀)와 -전자로 나뉘게 되는데, 이때 그래핀을 통과한 외부전계가 황화몰리브데넘 안의 -전자와 +전자(홀)을 끌어당기거나 밀어내어 재결합을 방지하고, 이로 인해 양자효율이 높아지게 되는 것이다. 이 방법으로 20%였던 양자효율을 55%까지 높일 수 있었다. 이번 연구결과로 고성능 고효율의 그래핀 기반 태양전지의 상업화를 목전에 두게 되었다.
이 연구는 기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단(단장 이영희)의 지원으로 수행됐다.