Power, Energy

계층형 콜로이드 양자점 태양전지

장종엽엔에스 2015. 1. 13. 08:39

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-13
피라미드 모양의 전극을 가진 태양전지는 기존의 평면 전극의 것보다 훨씬 더 많은 인입 태양광을 흡수할 수 있다. 이것은 9.2%의 전력 변환 효율을 가진 박막 “계층형 구조” 장치들을 만들었던 토론토 대학(University of Toronto) 연구팀의 새로운 연구결과이다. 이 새로운 태양전지는 반도체 콜로이드 양자점과 유기 흡수체와 같이 소위 전하-추출이 제한적인 재료를 기반으로 하는 광전자장치에 적용될 수 있을 것이다.

태양전지의 경우에, 광전지 재료를 때리는 광자들은 재료의 밴드갭보다 거의 동일하거나 더 큰 에너지를 가진 여기된 전하 캐리어(전자 및 홀)를 생산할 수 있다. 이러한 광전지 재료들은 콜로이드 양자점와 같이 박막 반도체가 될 수 있다.

박막 태양전지는 더 적은 재료로 동일한 양의 태양 방사선을 흡수할 수 있기 때문에 기존의 실리콘 기반의 태양전지 재료보다 더 저렴하게 만들 수 있다. 콜로이드 양자점은 용액 상태로 합성될 수 있는데, 이것은 입자들의 박막들이 페인트 또는 잉크처럼 유연한 또는 단단한 기판 위에 빠르고 쉽게 증착될 수 있다는 것을 의미한다. 태양전지 속에 콜로이드 양자점을 사용하는 또 다른 장점은 그들의 밴드갭이 나노입자의 크기를 변화시킴으로써 큰 에너지 범위로 조절될 수 있기 때문에 폭넓은 파장 스펙트럼에서 빛을 흡수할 수 있다는 것이다. 그리고 이것이 전부가 아니다: 그들은 8.5%만큼 높은 전력 변환 효율을 가진다.

그러나 다음과 같은 한 가지 문제점이 존재한다. 이러한 재료 속의 전송 길이(transport length)는 종종 너무나 짧다. 전송 길이는 광생성 전하 캐리어(전자와 홀)가 효과적으로 추출될 수 있게 하는 두께이다. 짧은 전송 길이는 광생성 캐리어가 재결합하고 유용한 광전류를 생성하는데 충분한 시간을 가지지 않는다는 것을 의미한다. 또한 이것은 반도체 밴드갭보다 더 높은 에너지를 가진 인입 태양 광자를 효율적으로 다룰 수 없다는 것을 의미한다.

이번 연구팀은 피라미드 모양의 투명 티타늄 이산화물 전극을 가진 콜로이드 양자점 박막을 결합함으로써 콜로이드 양자점의 전력 변환 효율을 추가적으로 향상시키는데 성공했다. 이번 연구진은 간단한 스탬핑(stamping) 방법을 사용해서 전극들을 만들었고 그 후에 콜로이드 양자점 박막으로 그들을 코팅했다.

이번 연구진은 이 전극이 장치 속에서 3개의 서로 다른 길이를 가지기 때문에 그들을 계층 구조라고 불렀다. 이번 연구진은 몇 나노미터 길이(약 3~5nm의 지름)로 중합된 양자점을 이용했다. 이것은 밴드갭 조정에 필수적인 크기이다. 그 후에 이번 연구진은 약 300~400 nm의 두께와 100 nm의 길이 크기를 가진 박막 속에 이런 양자점을 조립했다. 이런 두께는 전하 캐리어를 효율적으로 추출하는데 필요한 두께이다. 마지막으로, 이번 연구진은 파라미드의 상부에 이런 구조를 위치시켰는데, 이것은 약 2~10 µm의 크기를 가졌다. 이것은 최적으로 광을 수집하는데 필수적인 피처 크기(feature size)이다.

피라미드의 크기와 구조를 신중하게 선택함으로써, 이번 연구진은 전자와 홀이 2배 이상까지 장치 속에 이동할 수 있다는 것을 발견했다. “피라미드 패턴을 가진 전극들은 콜로이드 양자점과 같은 전하-추출 제한된 재료를 이용하는 광전자장치에 매우 유용하다”고 이번 연구진은 말했다.

이번 연구진은 약 55°의 각도를 가진 피라미드를 이용했고 현재 더 높은 각도의 구조(최대 80°)에서 어떤 현상이 일어나는지를 조사하고 있다. “이러한 방법은 이 장치가 콜리이드 양자점 박막의 활성 범위에서 모든 인입 광자를 완벽하게 흡수할 수 있게 하고 광전류가 생성되는 양을 비례적으로 향상시킬 수 있게 한다”고 이번 연구진은 설명했다. “가장 우수한 구조 및 재료와 결합함으로써, 우리는 10% 이상의 전력 변환 효율을 가진 콜로이드 양자점 태양전지를 제조하기를 원하고 있다”고 연구진은 밝혔다. 이 연구결과는 저널 Nano Letters에 “Colloidal Quantum Dot Solar Cells Exploiting Hierarchical Structuring” 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1021/nl504086v).

그림 1. 더 높은 외부 양자 효율을 가진 피라미드 모양의 전극.
그림 2. 전극이 피라미드 모양이라는 것을 보여주는 주사 전자 현미경 이미지.
그림 3. 최종 장치.