새로운 태양전지용 나노와이어 제작

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-29

나노와이어(Nanowires)란 두께가 대략 나노미터 수준이지만 길이는 상당히 긴 구조체를 말한다. 과학과 엔지니어링 분야의 최첨단에서, 나노와이어는 인슐레이터와 전자장치의 반도체 그리고 컴퓨터 칩과 같이 제작되는 완성품에 따라 다양한 형태로 사용되고 있다. 이제, 스위스 로잔 공과대학교(EPFL, Ēcole Polytechnique Fěděrale de Lausanne) 과학자들이 새세대 태양전지에 사용되고 있는 페로브스카이트(perovskite)라고 불리는 납을 포함한 광흡수성 물질로 나노와이어를 제작하는 우수한 방법을 발견했다. 혁신적이지만 단순한 이 방식은 [Nano Letters]에 발표되었다. 이 대학교의 안드레 호르베스(Endre Horvāth)씨와 라스즐로 포뤠(Lāszlō Forrō)씨는 그들이 슬립-코팅(slip-coating)으로 명명한 단순하고 새로운 방식을 사용하여 페로브스카이트로 나노와이어를 만드는데 최초로 성공했다. 이 발견은 호르베스(Horvāth)씨가 페로브스카이트라고 불리는 광흡수성 물질에 속하는 메틸암모늄 납 요오드화물(methylammonium lead iodide)로 결정체를 생성시키기 위해 시도하는 도중에 일어났다. 포뤠(Forrō)씨는 이 특수한 페로브스카이트를 에너지 분야의 슈퍼스타 물질로 묘사했는데, 그 이유는 그래첼 태양전지(Grȁtzel cells)라고 불리는 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells)에 사용될 가능성이 아주 크기 때문이다. 이 물질은 매우 높은 광흡수성 효율을 보여주었는데, 이것은 그것이 가진 원자 구조와 직접적인 관련이 있어서 재생에너지 커뮤니티에서 패러다임의 변화를 일으킬 것이다. 호르베스(Horvāth)씨의 관심은 메틸암모늄 납 요오드화물(methylammonium lead iodide)로 어떠한 종류의 나노구조체를 만들 수 있는지를 찾는 것이었다. 그것이 액체 형태이기 때문에, 그는 이것을 장치에 사용될 수 있는 고체 결정체 형태로 생장시키는 최상의 방법을 결정하기 위해 노력 중이었다. "나는 이것을 얇은 조각, 바늘 그리고 입방 결정체로 생장시키려 했다. 그렇지만, 이것들은 너무 크고 매크로적인 구조체이기 때문에, 그 크기를 줄이려고 노력했다"고 그는 말했다. 그의 노력은 성과를 거두었다. 그는 마이크로미터 차원의 결정체를 제작한 다음, 온도와 압력 조건을 수정함으로써 몇 나노미터 정도의 폭을 가진 고체 결정체를 생산할 수 있었다. "그다음, 우리는 나노와이어 제작을 위해 이 나노결정체를 늘일 수 있는지가 궁금했다. 만약 우리가 느슨하게 연결된 가루 형태의 이 페로브스카이트를 나노와이어로 제작할 수 있다면, 태양전지의 성능을 개선할 수 있을 것"이라고 라스즐로 포뤠(Lāszlō Forrō)씨는 말했다. 이러한 작업을 시행하는 일반적인 방법은 블레이드-코팅(blade-coating) 방식인데, 이 방식은 매우 얇은 필름을 제작하기 위해 표면을 블레이드가 따라 액체 물질을 펼치는 것이다. 그런데 이러한 접근법은 블레이드와 표면 간의 차이가 너무 넓어서 나노미터 두께의 구조체를 생산하는 것이 불가능하기 때문에 적용할 수 없다. 호르베스(Horvāth)씨가 페로브스카이트를 현미경으로 샘플을 보는데 사용하는 2개의 단순한 유리 덮게 사이에 놓았을 때 이 상황이 이루어졌다. 유리덮개 사이에 액체 물질을 누른 다음 그것들을 미끄러지게 분리함으로써, 그는 몇 초 내에 바늘과 같은 구조체가 생장한다는 것을 확인할 수 있었다. 지름을 측정한 이후, 그것들이 나노미터 수준이라는 것이 확인되었고 이것이 페로브스카이트에서 만들어진 최초의 나노와이어라는 사실을 확인했다. 블레이드-코팅(blade-coating)이라는 용어를 대신하여, 과학자들은 그들이 개발한 방법을 슬립-코팅(slip-coating)으로 불렀다. 이제, 연구팀은 다른 연구실과 산업계에서 사용하기 위해 그들이 개발한 방법 을 표준화하고 규모를 크게 하는 연구를 진행 중이다. "만약 우리가 이와 같은 나노와이어를 제작할 수 있다면, 그것은 완전히 새로운 기술의 적용분야 즉, 점지용 안테나, 레이저 또는 회절용 격자와 같은 수많은 광학용 툴을 제작할 수 있게 될 것"이라고 호르베스(Horvāth)씨는 말했다. http://www.energyharvestingjournal.com/articles/building-a-new-nanowire-for-solar-cells-00007190.asp