효율적인 태양 전지 개발을 위한 그라핀 산화물

어떻게 에너지를 이용하는 방법을 변화시키는 특히 새로운 첨단 물질들이 개발될 때 태양 전력 연구의 선두 주자들에게서 많은 것을 배워야 한다.

싱크로트론 방사를 이용하여 재료 과학 캐나다 연구 소장인 알렉산더 모에웨스 박사의 지도 하에서 서스캐처원 대학 연구원 아드라안 헌트는 기술의 미래를 변화시킬 첨단 물질인 그라핀 산화물을 조사하는데 그의 박사 과정을 보냈다.

그라핀 산화물을 이해하기 위해, 2010년 두 물리학자가 노벨상을 받게 한 발견인 맨체스터 대학 안드레 게임 박사와 코스티아 노포세로프 박사에 의해 2004년 최초로 만들어진 벌집 모양 격자 내 단층 탄소 원자들인 순수 그라핀으로 시작하는 것이 최선이다.

이 물질은 매우 얇기 때문에 매우 투명하다. 또한 이 물질은 매우 높은 전도성을 가지고 있어 심지어 구리보다 더 나은 전도성을 가지고 있고 매우 강해 이 물질의 인장 강도는 강철보다 훨씬 더 강하다. 공기가 이 물질을 손상시킬 수 없어 부식되지 않고 품질 저하가 없으며 매우 안정적이다.

이런 모든 특성들이 그라핀을 태양전지를 위한 훌륭한 후보 물질로 선택하게 했다. 특히, 이 물질의 투명성과 전도성은 태양전지의 두 가지 문제들을 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 첫째, 광은 사용할 수 있는 에너지로 전환되기 위해 좋은 전도체를 요구한다. 두 번째, 전지는 광이 물질을 투과할 수 있도록 투명해야 한다. 시장에 나온 대부분의 태양 전지들은 그들의 요구에 맞는 비전도 유리 보호층을 가진 인듐 주석 산화물을 이용한다.

인듐은 매우 희귀해서 언제나 더 비싸진다. 이는 미래 태양전지의 가격을 상승시키는 요건이 되는 반면 탄소의 풍부함으로 인해 그라핀은 매우 값싸게 될 것이다.

그라핀이 좋은 전도체임에도, 태양 전지 내부에서 발생된 전류를 수집하는데 매우 좋지 않다. 이런 이유로 연구원들은 태양전지 내에서 더 유용하게 되도록 그라핀을 개선하는 방법들을 조사하고 있다.

그라핀 산화물은 탄소 격자 내로 산소가 들어가 있는 형태의 물질이다. 이는 전도성을 저하시키지만 더 투명하고 더 나은 전하 수집 물질이다. 이 물질이 태양 패널 문제를 해결할 수 있을지 아닐지 아직 알 수 없지만, 이 분야의 연구원들은 어떻게 이 새로운 물질이 작동하는지 이해하기 위해 노력하고 있다.

연구원들은 캐나다 광원의 REIXS와 SGM 빔라인들의 엑스선 산란 기술과 첨단 광원에서 빔라인 8.0.1을 이용하여 어떻게 그라핀 격자에 부착된 산화 그룹들이 그라핀을 변화시키는지와 이 그룹들이 특히 전하를 이동시키는 그라핀 원자들과 상호작용하는지에 관하여 더 자세히 알고자 하였다.

그라핀 산화물은 꽤 복잡한 물질이다. 연구원들은 매우 쉽게 모델화할 수 있는 단순한 구조를 얻을 수 없지만, 이 부분의 상호작용을 이해하고 그라핀 산화물을 모델화하길 원했다. 이전 모델들은 지나치게 단순화시킨 것처럼 보였고 연구원들은 그라핀 산화물의 순수한 복잡성을 반영한 모델을 원했다.

그라핀 산화물의 개별 차이 부분은 특이한 전자적인 특징을 가진다. 싱크로트론을 이용하여 연구원들은 전자들이 그라핀 상의 어디에 존재하고 어떻게 산화물 그룹들을 이 구조를 개선하는지 측정할 수 있었다. 연구원들은 산화에서 작은 이동 효과의 이해를 증진시키는데 도움이 될 이전 모델이 정확하지 않다는 것을 보였다.

또한, 연구원들은 어떻게 그라핀 산화물이 소멸하는지 연구했다. 몇 가지 산화물 그룹들은 안정되지 않고 격자를 파괴하기 위해 함께 모일 수 있다. 다른 그룹들은 물을 만들기 위해 반응할 수 있다. 만약 그라핀 산화물 소자가 물을 가진다면 가열하면 물은 사실상 그라핀 산화물을 태워 이산화탄소를 만들 수 있다. 이는 태양이 이 물질 내로 위험한 열을 제공할 수 있는 오래 지속되는 태양전지들의 개발을 이해하는데 중요할 수 있는 의외의 약점이다.

이 같이 더 많은 연구가 태양 전력을 위해 그라핀을 이용하는데 중요할 수 있을 것이다.

장기간 발생할 수 있는 상호작용들의 복잡한 고리가 있고 그런 단계들의 개별적인 단계는 실재 연구를 진행되기 전에 해결되고 분류되어야 한다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr