저가 태양 전지가 가능한 고분자 필름

수년 동안 재료과학자들은 자이로드(gyroid)로 불리는 코르크 따개 형태의 고분자 구조를 연구해왔었다. 그런데 최근 자이로드 구조가 저가 광전압 전지(photovoltaic cell)를 자기 조립하는데 사용될 수 있다는 흥미로운 연구 결과가 보고되었다. 이러한 아이디어는 보다 경제적인 태양광 집진기 및 보다 효율적인 연료 전지를 도출할 잠재성을 내재하고 있다.

개발된 원형은 두 전도체 사이에 유기 염료(organic dye)가 샌드위치된 그라?f 태양 전지(Graetzel solar cell)의 변형으로서, 깍지를 낀 코르크따개 형태로 전도체를 형성하여 효율적인 전류 흐름이 가능하게 되는 것이다. 400 nm의 두께로 제조된 초도 개발 전지는 기존의 실리콘 기반 광전지와 비교해 0.7~1.7%의 낮은 변환 효율을 갖고 있지만, 박막 구조에서 이와 같은 수치가 얻어진 것은 놀랄만하다고 코넬대(Cornell University) 재료 과학 교수인 울리치 비에스너(Ulrich Wiesner)는 말했다.

연구진의 차기 과제는 개발된 전지를 보다 두껍게 만들어 보다 많은 빛을 모으는 것이며, 그들은 실리콘 기반 장치에 버금가는 효율성을 얻어낼 것으로 기대하고 있다. 참고로 현재 가용한 실리콘 기반의 태양 전지는 빛을 전기 에너지로 변환하는데 약 15%의 효율을 나타낸다. 비에스너 및 캠브리지대(Universities of Cambridge), 독일 프레이버그 연구소(Freiburg Institute for Advanced Studies), 프랑스 퀴리 연구소(Institute Curie), 미네소타대(University of Minnesota, Minneapolis) 연구진이 공조한 이번 연구 성과는 Nano letters에 게재되었다.

자이로이드는 블록 공중합 고분자(block copolymers)가 이용된 것으로 나노 수준에서 자기 조립된 가장 잘 알려진 네 가지 구조 중 하나이다. 고분자는 고체 혹은 반고체 물질을 구성하기 위해 사슬을 이루는 유기 분자로 구성된다. 블록 공중합 고분자는 말단에 두 분자를 결합시킴으로써 제조되기 때문에 이들이 사슬을 이루게 되면 고분자 한종은 평면, 구체, 실린더, 정글짐 형태의 자이로이드 등의 반복된 기하 형태 패턴을 형성하며, 또 다른 고분자가 그 사이의 공간을 채우게 된다.

몇 해전 비에스너 연구진은 고분자 중 하나가 이온 전도체로 작동하는 블록 공중합 고분자 구조를 제조하였으며, 서로 연결된 자이로이드 구조가 가장 효율적인 전도체란 것을 입증하였다. 태양 전지에 위와 같은 효율성을 이용하기 위해서 연구진은 공중합 고분자 자이로이드 필름을 형성한 후, 형성된 구조의 코르크 따개 영역을 용해시켜 이산화 티타늄(titanium oxide)으로 채워진 코르크 따개 형태의 몰드를 제조하였다. 이후 고분자의 나머지 부분을 가열하여 태우고, 이산화 티타늄을 전도성의 고체 구조로 결정화시켰다. 그런 다음 감광성 염료로 본 구조를 코팅하고, “홀” 전도의 물질로 그 주변을 채웠다.

염료에 빛을 쪼일 경우 빛은 헐거워진 전자를 가격하게 되는데, 이는 이산화 티타늄 골격을 유동적이게 만드는 반면에 그 뒤에 남겨진 홀이 다른 전도체로 이동되도록 만든다. 따라서 필름 위와 아래의 전극에서 전류가 흐르게 된다. 태양 전지의 비밀은 전자-홀 쌍(electron-hole pairs)이 10 nm 이내의 두 전도체 사이에 존재하는 계면을 찾는데 있다. 블록 공중합 고분자는 분리된 두 블록의 길이에 따른 특성을 갖기 때문에 이번 연구 성과는 매우 놀랍다고 비에스너는 말을 맺었다.

 

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1. 자기 조립 태양 전지는 하나의 고분자 “자이로” 형태를 형성하고, 다른 고분자가 이를 둘러싸고 있는 구조를 이룸. 내부 고분자는 전자 전도체로 채워진 몰드를 형성하기 위해 용해됨. 이후 외부 고분자를 태우고, 광감성 염료로 전도체를 코팅하면 최종적으로 주변 공간이 양의 “홀” 전도체로 채어짐. 태양 전지 반응은 재료 전체의 계면에서 발생하며, 깍지를 낀 자이로 구조는 효율적으로 전류를 운송함.
2. 자기 조립된 자이로 구조가 모든 방향으로 어떻게 연결되는지를 나타내는 박막 태양 전지에 대한 주사 전자 현미경 이미지.