대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지융합연구부 김대환·성시준 책임연구원 연구팀이 범용원소 셀렌화안티몬(Sb2Se3)을 활용한 3차원 나노 구조 기반의 고효율, 저비용 3차원 태양전지 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.
이 기술은 친환경 고성능 태양전지 소자에 적용하는 등 다양한 분야로의 활용이 가능할 것으로 기대된다. 범용원소 기반 화합물 반도체는 두 종류 이상의 원소로 구성된 반도체로 손쉽게 구할 수 있고 널리 사용되는 소재를 기반으로 한 것이 특징이다.
특히 매장돼 있는 곳이 매우 한정적임에 따라 최근 무역 분쟁의 화두로 떠오르고 있는 희토류 및 희소금속과 자원의 대체재로 주목 받고 있다. 이에 따라 저가의 범용 소재를 활용해 다양한 소자를 만드는 연구가 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 이 중에서도 3차원 나노 구조가 적용된 화합물 반도체 소재는 나노 구조의 다양한 물리·화학적 특징을 활용할 수 있어 많은 관심이 집중되는 분야다.
에너지융합연구부 김대환·성시준 책임연구원 연구팀은 셀렌화안티몬이라는 물질을 활용해 저렴하고 유연한 태양전지 기술을 개발했다. 셀렌화안티몬은 범용원소로만 구성돼 있어 저렴하고 증착 온도가 낮아 공정비용도 낮다. 유연 기판에 형성이 가능한 장점도 있다.
연구팀은 진공 증착 공정(진공 내에서 물질을 가열해 증발시킨 다음 그 증발물을 다른 물질의 표면에 입힘으로써 막을 만드는 공정)을 활용해 3차원 나노 구조를 갖는 셀렌화안티몬 화합물이 손쉽게 형성되는 공정을 개발했다. 또 셀렌화안티몬 나노로드 어레이를 박막 태양전지 소자에 성공적으로 적용함으로써 고효율화가 가능한 3차원 태양전지 기술의 가능성을 확인했다.
디지스트 에너지융합전공 김대환·성시준 책임연구원은 “연구에서 확보한 Sb2Se3 나노로드 어레이 증착 공정은 광전변환, 광화학 수소생산, 센서 등 나노구조 활용이 필요한 다양한 화합물 반도체 소자의 대면적화에 활용이 가능하다”며 “향후 보다 정밀한 화합물 반도체 나노구조 제어, 소자 응용으로 연구를 넓혀 나가고자 한다”고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 디지스트 에너지융합연구부 김대환·성시준 책임연구원이 교신저자, 디지스트 박막태양전지연구센터 박시내 연구원과 경남대학교 김세윤 교수가 제 1저자로 참여했다. 연구결과는 재료 분야의 저명 학술지인 ‘머티리얼즈 어드밴시스(Materials Advances)’에 지난해 12월 21일 온라인 게재되었으며 연구의 우수성을 인정받아 표지논문으로 선정됐다. 과학기술정보통신부가 지원한 ‘차세대 에너지소재 원천기술 개발’ ‘구조 및 광학 디자인 기반 한계 극복 초고효율 탠덤태양전지’의 과제로 수행됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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