은 나노입자 태양전지 효율 세계 최고 수준으로 높이다
한양대학교 바이오나노학과 방진호 교수님 인터뷰
무독성의 은으로 만든 태양전지의 안정성과 효율성을 크게 높인 연구 결과가 발표되어 관심을 모은다. 연구의 주인공은 한양대학교 방진호 교수다. 수년 전부터 무독성 태양전지를 연구해 온 방 교수는 몇 해 전 금을 활용해 기존 광전환 효율을 2배 가까이 올린 태양전지 원천기술을 개발한 소식에 이어 최근에 은 나노입자를 이용한 태양전지의 안정성을 확보하고 광전환 효율도 획기적으로 끌어올린 연구 성과를 냈다. 이는 은 나노입자 태양전지의 광전환 효율 중에서는 세계 최고 수준으로 평가받으며 주목받고 있다.
은 나노입자 태양전지 안정성·효율 향상
무독성이고 친환경적인 은으로 만든 태양전지의 효율을 높인 연구 결과가 발표됐다. 은 나노입자의 경우에는 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명이 문제였는데, 이 같은 문제를 해결하고 안정성과 효율을 높인 연구 결과를 한양대학교 방진호 교수가 발표했다.
은 나노입자는 빛을 잘 흡수하는 소재로, 은의 장점을 살려 광흡수체로 사용하는 태양전지는 국내외 많은 연구자들의 관심사였지만, 빛에 의해 높은 에너지 상태로 이동된 전자가 머무는 시간인 여기 전자 수명이 낮아 성공적으로 구현하기에는 한계가 있어왔다. 이에 방진호 교수 연구팀은 은 나노입자의 표면에서 은과 황의 복합체가 응집되도록 유도하는 합성법을 개발했다. 이를 통해 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명이라는 은 나노입자의 단점을 극복한 것이다.
연구팀은 기존의 은 나노클러스터와는 달리 은-싸이올레이트 콤플렉스의 표면 응집을 통해 은 나노클러스터의 안정성을 대폭적으로 향상시키고, 리간드-메탈 전하전이 현상을 촉진해 여기 전자 수명을 높일 수 있었다. 또 이번 연구를 진행하면서 용액의 pH 변화에 따라 가역적으로 은-사이올레이트 콤플렉스의 응집을 제어할 수 있다는 새로운 사실도 규명했다고 전했다.
이번 연구 결과를 통해 은 나노클러스터의 본격적인 태양전지 시스템에 응용 가능성을 확보했고, 무독성 친환경 태양전지라는 새로운 개념의 3세대 태양광 전환 시스템의 개발을 앞당길 수 있게 되었다.
방 교수는 “은 나노입자 태양전지의 효율을 높이기 위해 연구를 하면서 안정성과 여기 전자 수명의 문제점을 해결하는 합성 방법을 찾는 것이 가장 어려운 숙제였다”며 “연구를 통해 2가지 문제를 해결하면서 은 나노입자 태양전지를 장시간 사용할 수 있는 방법을 마련할 수 있게 되었고 기술의 수준을 한 단계 높일 수 있게 되었다”고 말했다. 또 “이번 연구 성과는 은 나노입자 태양전지 분야에서는 세계 최고의 광전환 효율을 보인 것”이라며 “은 나노입자의 안정성과 효율이라는 기초적인 문제를 개선하기 위해 접근하고 문제를 해결하면서 태양전지의 수준을 한 단계 업그레이드 시킬 수 있었다”고 덧붙였다.
무독성 태양전지에 대한 호기심으로 시작된 연구
이번 은 나노입자 태양전지의 안정성과 효율성을 향상시킨 연구 결과는 방 교수의 호기심에서 시작됐다.
2016년에 금 나노입자를 이용한 태양전지를 성공적으로 구현한 이후, 무독성 태양전지 연구에 대한 호기심을 가지고 있던 방 교수는 금 나노입자보다 저렴한 은에 관심을 가지기 시작했다. 은 나노입자의 태양전지 적용에 대한 호기심을 가지고, 연구를 수행했지만, 안정성과 효율이 문제였고 수년 간 문제점을 해결할 수 있는 합성 방법을 연구해온 결과, 은 나노입자의 표면에서 은과 황의 복합체가 응집되도록 유도하는 합성법을 개발한 것이다. 이러한 연구 결과는 3세대 태양전지의 필요성을 절감하는 연구자들 사이에서는 꼭 필요한 기초연구다.
2010년에 금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템이 최초로 구현된 후에 지속적으로 무독성 친환경 소재인 금과 은을 활용한 신개념 3세대 태양전지 원천기술 개발에 대한 많은 관심이 모아져왔다.
금 나노클러스터를 이용한 태양전지 시스템이 성공적으로 구현된 것과 달리 은 나노클러스터를 기반으로 하는 태양전지의 구현은 쉽지 않았다. 은 나노클러스터의 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명의 한계를 해결하는 것이 난제였던 것이다.
은 나노클러스터는 높은 흡광 계수를 갖고 저가라는 장점이 있어 태양전지로의 개발에 많은 가능성을 가지고 있었으나, 한계를 극복할 수 있는 합성 기술이 없다는 점과 각종 전자전이 및 재결합 현상에 대한 통합적인 이해의 부족으로 국내•외에서 은 나노입자 태양전지의 효율을 높이는 연구는 답보 상태에 있어왔다.
이 같은 상황에서 방 교수는 스스로 문제를 제기하고, 해결할 수 있는 방법을 찾는데 집중했다. 연구팀은 은 나노클러스터의 낮은 화학적 안정성과 짧은 여기 전자 수명을 극복할 수 있는 합성 경로를 개발해 광전극을 구성하고, 태양전지 구동과 연관된 여러 가지 물리적 현상들을 최초로 규명해 세계 최고의 광전환 효율을 달성하고 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있었다.
방 교수는 “남들이 잘 하지 않는 연구에 대한 호기심으로 시작해 무독성 태양전지를 만들기 위해 스스로 문제를 제기하고 해결법을 찾기 위한 기초연구에 집중했다”며 “연구의 한계를 극복하고 해결법을 찾기 위해 가장 중요한 것은 기초연구이다. 기초적인 부분을 정확히 알고 접근해야 문제를 풀 수 있다”고 전했다. 이어 “안정적인 태양전지 시스템을 이용한 분광학적, 전기화학적 기초 연구를 함께 수행해 차후 태양전지 개발을 위한 초석을 마련할 수 있었던 것도 의미가 크다”고 덧붙였다.
공동연구, 열린 자세로 이뤄낸 성과
은 나노입자 태양전지의 문제점은 오랫동안 해결되지 못했던 만큼 방 교수도 합성법을 찾는 것이 쉽지 만은 않았다. 실제로 연구를 하는 과정에서 필요한 장비의 부재로 연구의 어려움도 겪었다. 그러나 이러한 모든 문제점은 방 교수한테 큰 문제가 되지 않았다.
연구의 성과를 내기 위해 열린 자세로 임한 결과 성과를 낼 수 있는 공동연구도 수행했다. 실제로 방 교수는 은 나노입자 태양전지의 여기 전자 수명을 조사하기 위한 장비가 없는 문제점을 해결하기 위해 미국 연구진에게 공동연구를 제안했고, 미국까지 가서 실험을 진행해 효율을 조사할 수 있었다.
방 교수는 “연구를 할 때 적극적으로 외부 연구 환경을 이용한다”며 “공동연구에 오픈되어 있어 모자란 부분을 적극적으로 채워나가고 있다”고 전했다. 이뿐 아니라, 방 교수의 기본적인 호기심과 새로운 것을 찾는 적극적인 자세가 연구 성과를 낼 수 있었던 배경이 되었다.
방 교수는 연구를 함에 있어서 다른 사람이 하지 않는 새로운 연구를 추구해왔다. 같은 연구 방향이라도 다른 연구자들이 안하는 연구를 찾아왔다. 퍼스트 무버가 될 수 있는 연구를 찾고, 연구 성과를 내는 경험이 쌓이다 보니 새로운 분야에 대한 연구를 더욱 갈망하게 되었다. 이러한 방 교수의 연구철학은 학생들을 가르치는 교육철학의 기본이 되었다. 방 교수는 학생들에게 능동적으로 새로운 연구를 적극적으로 찾아보라고 이야기한다. 처음에는 어렵게 생각했던 학생들도 반복적으로 새로운 연구 방향을 찾고, 그러한 연구의 성과를 내는 것을 경험하면서 방 교수의 철학을 이해할 수 있게 되었다. 이러한 배경들이 모여 이번 연구 성과를 낼 수 있는 비결이 되었다.
방 교수는 “연구를 함에 있어 스스로 열린 자세로 공동연구를 하고 남들이 잘 하지 않는 새로운 연구를 찾으려고 노력하고 있다”며 “많은 연구자들이 하는 핫한 연구에 매달려 경쟁하는 것보다 남들이 하지 않는 연구 성과를 통해 퍼스트 무버가 되고자 하는 것입니다”라고 밝혔다. 또 “이 같은 철학을 학생들에게도 강조하고 있는데, 자기 주도적으로 할 수 있는 마인드를 키우는 데 집중해 처음에는 따라오기 힘들어하던 학생들도 이제는 이해하고 있다”라고 말했다.
효율성을 높이는 연구 지속해 상용화 목표
방 교수는 이번 연구 성과에서 멈추지 않고, 무독성 태양전지의 효율성을 높이는 연구를 계속하고 있다. 단기적으로는 금 나노입자와 은 나노입자가 가지고 있는 각각의 장점을 모두 가지고 있는 나노입자를 만드는 것을 목표로 연구를 수행하고 있다. 현재 연구는 마무리 단계로, 금 나노입자와 은 나노입자의 장점을 동시에 가진 나노입자를 통해 효율성은 높이고 독성은 떨어뜨린 태양전지가 가능할 수 있게 되었다.
여기에서 멈추지 않고, 실제 실리콘 태양전지 등 상용화가 가능한 수준의 광전환 효율을 높이는 것이 연구의 궁극적인 목표다. 연구 단계 스케일이 아닌 실생활에서 사용 가능한 스케일에서 사용이 가능할 수 있도록 광효율을 높여, 실제로 사용될 수 있는 수준으로 만드는 것이다. 이를 통해 실내전원을 대체할 수 있는 태양전지를 만들고자 한다. 장신구로 사용되는 금이나 은이 가진 미적인 장점을 적극 활용해 실내 전원을 대체할 수 있는 효율을 갖춘다면 활용도가 높을 것으로 예상하고 있는 것이다.
이뿐 아니라, 방 교수는 현재 에너지라는 큰 키워드에 연구를 집중하고 있다. 에너지 전환 소재 중에서도 태양광 전환에 관심이 많은 그는 태양전지나 광전기 화학셀연구에 집중하고 있다. 현재는 태양전지 쪽에 국한되어 있는 시스템을 다른 에너지 전환 시스템 쪽으로 전환하는 연구도 진행한다. 태양광을 이용해 물을 분해해서 수소를 만드는 시스템에 연구팀이 가진 광전기 화학시스템 도입이 가능해 앞으로 기초연구뿐 아니라 응용연구도 확대해 나갈 계획이다.
지금까지 기초연구에 집중해왔다면 앞으로는 에너지 분야 응용연구를 확대해 나갈 계획인 것이다. 다른 연구자들이 많이 하지 않는 새로운 연구에 집중하며 연구를 이어온 결과, 획기적인 성과를 내고 있는 방 교수는 앞으로도 지치지 않고 가치 있는 연구를 해나가고자 한다.
방 교수는 “앞으로는 기초연구에만 머무르지 않고, 실용화되는 기술 개발을 하는 것이 꿈”이라며 “현재 수행하고 있는 리튬이온전지 소재 연구 등 응용연구를 확대해 나갈 계획”이라고 전했다. 또 “연구라는 것은 다른 사람들에게 인정받을 때 가치가 부여된다고 생각한다”며 “앞으로의 연구가 가치 있는 연구였으면 좋겠고, 지치지 않고 즐거운 마음으로 계속 연구를 해나가고 싶다”고 연구자로서의 각오를 전했다.
<이 기사는 사이언스21 매거진 2019년 7월호에 게재 되었습니다.>
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