<사진. 장치의 구조도와 전압에 따른 전류의 변화
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

더 나은 태양전지를 만드는 폴리키랄 탄소 나노튜브

미국 연구진은 탄소 나노튜브로 만든 새로운 태양전지가 이전의 최고의 태양전지보다 태양광을 전력으로 변환시키는데 거의 2 배 더 나은 특성을 가진다는 것을 증명했다.

박막 태양전지 재료들은 실리콘과 같은 기존의 태양전지 재료보다 더 우수하다. 왜냐하면, 이런 재료들은 더 저렴하고, 더 가볍고, 더 유연하기 때문이다. 그들은 태양광의 광자를 흡수하고 그들을 전자-홀 쌍(또는 여기자)으로 전환함으로써 작동된다. 전류를 생성하기 위해서, 전자와 홀은 서로 분리되어야 한다. 태양전지에서, 여기자는 최고의 광 흡수 효율을 가지도록 장치 속의 또 다른 층(전하 분리가 발생함)으로 빠르게 이동해야 한다.

단일벽 탄소 나노튜브가 박막 태양전지에 이상적이지만, 지금까지 단일벽 탄소 나노튜브를 포함하는 대부분의 박막 태양전지는 제한적인 전류 및 전압, 열악한 전력 전환 효율로 인해서 어려움을 겪고 있다. 국립 신재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 연구진은 이전에 탄소 나노튜브 기반의 태양전지의 성능을 최초로 증명했다.

노스웨스턴 대학(Northwestern University)과 캔자스 대학(University of Kansas)과 매사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology)의 연구진은 폴리키랄(polychiral) 단일벽 탄소 나노튜브와 풀러렌(fullerene)이 포함된 새로운 종류의 태양전지를 디자인했다. 이 새로운 태양전지는 더 넓은 범위의 태양 스펙트럼 파장을 흡수함으로써 생성되는 광전류의 양을 최대화시킨다. 특히, 태양전지는 근적외선 스펙트럼을 상당히 흡수한다. 이런 스펙트럼 범위는 최고의 박막 태양전지 기술에서도 구현할 수 없다.

단일벽 탄소 나노튜브는 단지 원자 한 개 두께의 시트이고, 약 1nm의 지름을 가진 튜브로 알려져 있다. 이 시트의 원자들은 육방정계 격자로 배열되고, 튜브의 축에 따른 격자의 상대적인 방향은 이것의 키랄성을 결정한다. 이전의 탄소 나노튜브 태양전지는 주로 단일 키랄성 탄소 나노튜브로 만들어졌지만, 이번 연구진의 태양전지는 폴리키랄성을 가진 탄소 나노튜브를 사용했다. 즉, 그들은 다양한 키랄성을 가진다. 이런 다양한 키랄성을 사용함으로써, 이번 연구진이 개발한 탄소 나노튜브 태양전지는 태양광 스펙트럼의 더 폭넓은 부분을 흡수할 수 있는데, 이것은 더 높은 전류와 효율을 이끈다.

이번 연구진은 활성 층과 하부의 홀-전달 층 사이의 계면을 제어함으로써 태양전지에 의해서 제조된 광전압을 최대화했다. 이런 계면 층은 광생성된 전자와 홀이 효율적으로 재결합할 수 있게 한다. 반전 소자 구조에서 제조된 높은 전류와 높은 전압 때문에 기록적인 광 발전 효율을 가지게 되었다.

이 장치는 탄소로만 구성된 태양전지에 대한 관심을 재점화시킬 수 있을 것이다. 새로운 태양전지가 폭넓은 광 파장을 흡수할 수 있다는 사실은 그들이 탠덤(tandem) 또는 다중접합 장치 속의 활성 요소로서 특히 유용하다는 것을 의미한다. 이런 태양전지는 두 개 또는 더 이상의 접합을 가진다. 각 접합들은 태양광선의 서로 다른 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 예를 들어, 태양전지의 앞면에 존재하는 접합들은 더 폭넓은 밴드갭 재료로 만들어질 수 있다. 이런 더 폭넓은 밴드갭 재료는 고에너지 광자를 수집하면서 더 풍부한 저에너지 광자를 수집할 수 있게 한다. 그들은 단지 30%의 광전환 효율을 가진 단일 접합 태양전지와 비교했을 때 약 42%의 광전환 효율을 가진다.

이번 연구팀은 탄소 나노튜브 기반의 태양전지의 광전환 효율을 추가적으로 향상시키기 위해서 노력하고 있다. 또한 이번 연구진은 탄소 나노튜브의 특성을 보완하기 위해서 풀러렌 이외의 재료를 도입할 에정이다.

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