탄소나노튜브로 태양전지 효율을 2배 향상 (2007-03-03)
 
나노입자와 탄소나노튜브의 하이브리드 조합이 태양전지의 효율을 2배 증가시킨다.

미국 노틀담 대학교의 프라샌트 카마트(Prashant V. Kamat) 교수의 연구팀은 반도체 나노입자와 탄소나노튜브의 하이브리드 조합을 만들어 태양전지의 광변환 효율을 증가시키는 데 성공했다. 연구원들은 산화티타늄 전지에 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)를 전도성 골격으로 사용하면 광변환 효율이 2배 높아진다는 것을 보여주었다.

광촉매 작용을 하는 나노구조 반도체 필름은 태양전지, 수소생산, 환경정화와 같은 분야에서 광범위하게 활용되고 있다. 특히 흥미를 끄는 것은 염료감응 태양전지(DSSC)인데, 이것은 넓은 밴드갭을 가진 반도체 산화물(주로 이산화티타늄) 필름에 염료를 입힌 것이다. 이런 종류의 태양전지는 값싼 원료를 사용하고 간단한 장비를 이용해서 생산할 수 있기 때문에 유망한 에너지원으로 각광을 받고 있다. 하지만, DSSC의 광-전기 변환효율은 1991년에 미카엘 그라첼(Michael Graetzel)에 의해 처음 발표되었을 때와 같은 10 % 수준에 머물러 있다.

그런 나노구조 전극에서 더 높은 광-전기 변환효율을 얻지 못하도록 막는 커다란 장애물은 전자를 입자 네트웍을 가로질러 전극으로 옮기는 일이다. 예를 들어, 나노구조 필름에서 빛에 의해 생성된 전자들은 반도체 입자 네트웍을 통해 전극으로 이동해야 하는데, 그러는 사이에 전자가 산화된 감응제와 재결합할 가능성이 높아진다.

최근에 나노튜브와 나노선 설계에서 큰 발전이 있었기 때문에, 1차원 나노 구조를 이용해서 전자의 흐름을 유도할 수 있다. 하지만, 나노선이나 나노튜브 네트웍을 이용해서 빛을 수확하는 반도체 입자를 고정시키고, 전자들이 태양전지 표면에 있는 수집 전극으로 잘 이동할 수 있도록 도와주는 일은 무척 힘든 도전과제이다.

독특한 전기 전자적 속성, 넓은 화학적 안정성, 높은 표면적을 가진 SWCNT는 광수확 입자를 고정시키는 골격으로서 적합하다. 반도체 SWCNT는 이미 유기 광전지와 연료전지의 성능을 개선하는데 중요한 역할을 하고 있다. SWCNT 또한 가시광선을 쪼이면 광전기화학 효과를 나타낸다. 게다가 DSSC안에는 이미 TiO2 나노선과 ZnO 나노튜브가 사용되고 있다.

Kamat의 연구팀은 전도성을 가진 탄소섬유와 유리 전극 위에 SWCNT를 만드는데 성공했다. “SWCNT덕분에 나노선 네트웍에 TiO2 반도체 나노입자를 분산시킬 수 있다. SWCNT가 전도성 골격의 역할을 해주기 때문에 나노구조 반도체 필름에서 전하 수집과 전하 운반이 쉬워진다. 그 결과, 광변환 효율이 2배나 증가하는 모습을 관찰할 수 있었다.” 라고 카마트 교수가 말한다.

한편, 이와 비슷한 연구결과가 지난 1월에 영국 서리대학(University of Surrey)의 래비 실바(Ravi Silva)의 연구팀에 의해 발표된 적이 있다. 서리대학의 연구팀도 유기 태양전지에서 탄소나노튜브를 전하운반 골격으로 사용해서 효율을 30% 높인 바 있다. 노틀담대학 연구팀과 다른 점은 ITO(indium-tin oxide) 기판에 다중벽 탄소나노튜브를 직접 성장시켜 유기층을 침투하는 전극으로 사용했다는 점이다. (GTB2007010911)
현재 태양전지 시장을 주도하고 있는 실리콘 태양전지의 효율은 대개 20% 이하이다. 최근에 스펙트로랩이라는 태양전지회사는 게르마늄 위에 성장시킨 갈륨-아세니아드로 만든 태양전지로 40%의 효율을 달성했다고 보고한 바 있으나, 사용하는 재료가 비싸고 공정이 어렵기 때문에 별로 실용적이지 못하다.(GTB2006120856). 염료감응 태양전지로 20%의 효율을 달성한다면 실리콘 태양전지에 비해 가격 경쟁력이 우수할 것으로 기대된다.

나노선과 나노튜브가 중요한 역할을 담당할 분야가 몇 개 있다. DSSC 같은 태양전지, 물의 광전기 분해를 이용한 수소생산, CNT가 전자 저장과 이동을 용이하게 해주는 전자공학, 하이브리드 구조로 전하이동 속성을 광학적으로 변조하는 데 사용하는 광전자공학 등이 그것이다.

그림1. 반도체 필름에서 전자의 이동 (A) 탄소나노튜브가 없을 경우 (B) 탄소나노튜브가 전자의 이동통로 역할을 하는 경우
그림2. 탄소섬유 전극의 SEM 사진 (A) 표면처리 전 (B) TiO2 입자를 입한 표면 (C) 전기용사법으로 SWCNT를 입힌 표면 (D) SWCNT 필름 위에 TiO2 입자를 입힌 표면

February 20, 2007 online edition of Nano Letters.

 
http://www.nanowerk.com/
 
출처 : KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』