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201803.07

수중 플라즈마 기술로 유기태양전지 효율 UP

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/788

전자수송용 나노입자 합성기술 개발로 광에너지 전환 효율 50% 증가

 

 언제나 우리 머리 위에서 밝게 빛나는 태양은 무한한 발전소라고 할 수 있습니다. 인류는 태양이 내뿜는 어마어마한 에너지를 생활에 사용할 수 있는 전기에너지로 변환하기 위하여 다양한 방식을 활용하고 있습니다.

 

 태양에너지를 이용하는 가장 궁극적인 방법은 바로 지구에 ‘인공태양’을 만들고 태양이 무궁무진한 에너지를 만들어내는 원리인 ‘핵융합’ 반응을 통해 무한한 에너지를 만들어내는 핵융합발전입니다. 핵융합 발전은 현재 상용화를 위한 연구가 진행 중으로 아직 완성된 기술은 아니지만, 거의 무한하고, 안전하고 깨끗한 에너지원이라는 점에서 인류의 에너지 패러다임을 변화시킬 미래 에너지로 주목받고 있습니다.

 

 이 외에도 지구에 도달하는 태양에너지를 직접 활용하는 방법이 있습니다. 바로 태양의 뜨거운 열을 이용해 물을 데워 활용하는 태양열 발전과 태양전지에 햇빛을 받아 전기로 변환하는 태양광 발전입니다. 그중 태양광 발전은 빛을 바로 전기로 전환할 수 있다는 점에서 장점이 많아, 더욱 효율적인 태양광 발전을 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 이루어지고 있습니다.

 

 태양광 발전의 핵심은 태양전지입니다. 태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 역할을 합니다. 초기 태양전지는 실리콘 반도체를 이용하여 제작하였으나 가격이 비싸, 최근에는 값이 저렴하고 대면적 및 대량생산에 유리한 유기 재료를 사용한 유기태양전지가 차세대 태양전지로 각광 받고 있습니다.

 

 하지만 실리콘 태양전지에 비해 현재 유기 태양전지의 효율은 아직까지 매우 낮은 수준으로 유기 태양전지의 활용도를 높이기 위해 광에너지 전환 효율을 높이는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

 


플라즈마 기술로 광에너지 전환 효율 50% UP

 

수중 플라즈마 기술로 전자수송용 나노입자 합성기술 개발에 성공한 플라즈마기술연구센터 홍용철 책임연구원(왼)과 허진영 학생연구원(오)

 

 최근 유기 태양전지의 광에너지 전환 효율을 대폭 개선할 수 있는 연구 성과가 발표되어, 유기 태양전지의 활용 가능성에 청신호가 켜졌습니다.

 

 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터의 홍용철 연구원, 허진영 학생연구원과 경희대학교 응용화학과 고두현 교수, 남민우 박사 공동연구팀은 세계 최초로 수중 플라즈마 기술을 이용한 전자수송용 나노입자 합성기술을 개발하여 유기 태양전지의 광에너지 전환 효율(PCE: Power Conversion Efficiency)을 획기적으로 높이는 데 성공했다고 밝혔습니다.

 

 유기 태양전지는 양극과 음극 사이에 빛 에너지를 전기로 전환하는 활성층 구조를 가지고 있습니다. 이 활성층과 음극 사이에는 태양전지의 효율을 높이기 위한 ‘전자수송층’이 들어갑니다. 전자수송층은 나노 크기의 작은 입자로 이루어져 있는데 이는 음극에 주입 된 전자가 활성층으로 잘 이동할 수 있도록 도와주는 역할을 합니다. 

 

 H-TiO2 합성 (a) H-TiO2 합성 수중 플라즈마 시스템 구성도 (b) 수중 플라즈마 방전 시간에 따른 H-TiO2 합성 사진

(c) 일반적인 TiO2(White TiO2)와 H-TiO2 파우더 사진 (d) H-TiO2 나노입자의 TEM 사진

 

 공동연구팀은 유기태양전지의 전자수송층에 사용하는 나노입자를 기존의 이산화티탄(TiO2) 대신, 수중 플라즈마를 이용해 합성한 수소이산화티탄(Hydrogenated TiO2, H-TiO2)으로 변경하였습니다.

 

 수소이산화티탄 나노입자를 사용한 유기태양전지는 기존 이산화티탄을 활용할 때 보다 향상된 전기전도도를 보였으며, 이로 인해 전하수송 및 추출 능력이 높아지는 것을 확인할 수 있었습니다. 그 결과 광에너지 전환효율을 기존의 유기태양전지보다 약 50% 이상 향상된 9.12%로 높이는데 성공했습니다.

 

 또한, 기존의 유기태양전지는 물질의 전기 전도성 정도를 결정하는 에너지 차를 말하는 ‘밴드 갭(Band Gap)’이 높아, 빛 스펙트럼 중 자외선을 조사하였을 경우에만 전자 이동이 가능했습니다. 그러나 수소이산화티탄은 밴드 갭이 낮아 가시광선 영역대에서도 광에너지를 용이하게 흡수하여 기존 유기 태양전지의 성능 및 수명 저하 문제점도 함께 해결할 수 있었습니다.  

(a) 일반적인 TiO2(White TiO2)와 H-TiO2의 UV-vis 흡수 스펙트럼 (b) 전류 밀도-전압 특성(J-V characteristics)에 따른 유기태양전지 성능 평가

 


합성 시간도 60배 이상 빨라져

 

 광에너지 전환효율을 높이는데 결정적인 역할을 한 것은 새로운 수소이산화티탄 나노입자 합성기술 이었습니다. 기존에 수소이산화티탄을 합성하기 위해서는 수소 열처리 방식, 화학적 기상 증착법 등이 활용되었습니다. 이러한 방법들은 고가의 장비가 필요하고, 합성 시간도 평균 5시간 이상으로 길게 소요되어 양산화에는 한계가 있었습니다. 또한, 다량의 화학물질 사용으로 인한 환경오염도 큰 문제였습니다.

 

 공동 연구진은 그 실마리를 ‘플라즈마’에서 찾았습니다. 플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 네 번째 상태를 말합니다. 일반 기체와 달리 물질을 구성하는 기본 입자인 원자가 원자핵과 전자로 분리되어 있어 자기장의 영향을 받는 등 독특한 특성을 가집니다. 이렇게 플라즈마의 특성을 활용한 응용기술은 디스플레이, 반도체 제작 공정에 활용될 뿐 아니라 최근에는 농식품, 환경, 의료, 미용 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

 

 국가핵융합연구소에서 보유하고 있는 물 속에서 직접 플라즈마를 발생하는 기술인 수중 플라즈마 기술을 이용해 수소이산화티탄을 합성하자 합성 시간이 5분 이내로 단축되었습니다. 이는 기존 기술보다 60배 이상 빠른 생산을 가능하게 합니다. ‘수중 플라즈마 수소이산화티탄 합성 시스템’은 구조가 간단할 뿐만 아니라 플라즈마 이외에 다른 화학물질을 사용하지 않아 환경오염을 일으키지 않는다는 것도 중요합니다.  

 

조사시간에 따른 유기기태양전지의 전류 밀도-전압 특성(J-V characteristics) (a) 일반적인 TiO2(White TiO2) 전자수송층, (b) H-TiO2 전자수송층,

시간변화에 따른 (c) 충전율 (FF: Fill Factor)과 (d) 광에너지 전환효율 (PCE: Power Conversion Effciency) 

 

 이 기술을 통해 생산한 수소이산화티탄 나노입자는 차세대 태양전지 뿐 아니라 디스플레이, 광센서, 태양광촉매시스템 등에도 널리 활용될 수 있을 것으로 기대됩니다.


 핵융합(연) 유석재 소장은 “플라즈마를 이용한 기술은 공정이 간단하고 2차 환경오염이 없어 비용 절감 효과와 함께 고효율 생산을 가능하게 하는 것이 특징입니다. 그동안 전량 수입에 의존했던 나노입자 산업의 트렌드를 변화시키고 새로운 시장창출과 수출 효과를 기대할 수 있게 되었습니다.”라며 연구 성과의 중요성을 강조했습니다.

 

 수중 플라즈마를 이용해 수소이산화티탄 합성에 성공한 것은 이번 연구가 세계 최초입니다.  이번 연구 결과는 지난 1월 세계적 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에도 게재되어 해외 연구자들에게도 큰 주목을 받았습니다.

 

 핵융합(연)과 경희대 공동연구팀은 이번 연구 결과를 바탕으로 상용화 기술 개발과 기술 이전을 진행할 예정으로, 수중 플라즈마 기술이 태양전지 연구 분야에 어떤 새로운 바람을 불러일으킬지 기대됩니다.

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