[한국대학신문 김의진 기자] 친환경 광흡수체인 금을 활용하는 3세대 태양전지 ‘금빛 태양전지’의 효율을 높일 수 있는 재료를 국내 연구진이 발견했다. ‘무독성’ ‘친환경’ 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 것으로 기대가 모아진다.

7일 한국연구재단에 따르면, 방진호 한양대 바이오나노학과 교수연구팀은 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터 태양전지의 효율에 영향을 미친다는 점을 알아냈다.

금 나노클러스터는 금 원자가 여럿이 모여 만든 나노 크기의 클러스터로, 덩어리를 이루면 원래 원자나 분자와는 전혀 다른 성격을 지니게 된다는 점이 특징이다.

금 원자는 육안으로 보일 정도로 모인 벌크 상태의 금은 반응성이 낮아, 변하지 않는 귀금속으로 분류된다. 하지만 금 원자 수 십 개가 모인 금 나노클러스터의 경우, 원자단위로 제어할 수 있기 때문에 화학반응의 촉매나 플랫폼으로 이용되고 있다.

특히 금 원자 22개가 육팔면체(14면체) 구조로 모인 금 나노클러스터는 기존 나노클러스터와는 차이를 보이는, 독특한 코어‧쉘 구조를 가진 까닭으로 빛을 잘 흡수할 수 있다. 실리콘이나 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 중금속 광흡수체와 비교했을 때, 친환경적인 광흡수체인 금 나노클러스터가 차세대 태양전지 소재로 손꼽히는 이유다.

하지만 이제까지 빛을 전기로 변환하는 광전환 효율이 기존 실리콘 태양전지보다 5배 이상 낮기 때문에, 광전환 효율과 안정성 향상을 위한 여러 연구가 이뤄져 왔다.

방진호 한양대 교수연구팀은 ‘나트륨 이온’이 금 나노클러스터와 전극과의 흡착을 돕는 요인임을 발견했다. 빛을 흡수한 금 나노클러스터에서 전자가 생성되면 접합돼 있는 반도체 산화물 전극으로 이동한 뒤, 전자가 백금 상대 전극으로 수동되면서 전기가 생성된다. 이때 나트륨 이온이 전극 간 흡착을 강하게 하면서, 생성된 전자의 분리와 수송을 촉진하는, 광전환 효율을 높이는 열쇠라는 점을 알아냈다.

중금속이 아닌 금 나노클러스터를 광흡수체로 이용하게 되면, 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 더욱 유리한 측면이 있다. 금 나노클러스터 태양전지 효율 향상의 실마리를 제공했다는 점에서 이번 연구성과가 주목된다.

방진호 한양대 교수는 “신개념 3세대 태양광 전환 시스템 개발에 중요한 원천기술을 확보했다는 점에서 의미가 있다”며 “금속 나노클러스터 감응형 태양전지의 광전환 효율과 안정성을 높여 경제성이 확보된 무독성, 친환경 태양전지 시스템을 개발할 것”이라고 말했다.