[신기술 소개] 새로운 개념의 저비용, 고효율 태양전지

iso-부텐 형태로 제거되고 실리콘 표면 위에 수산 기 결합형태를 가지게 된다. 이 수산기는 인접해 있는 부톡시기로 수소원자를 전이시켜 부탄올 형 태로 제거되고 [그림 2(F)]에서 보듯이 산소원자 는 실리콘과 가교결합을 하게 된다. 이러한 가교 형태는 인접한 두 수산기간의 반응을 통해서도 일 어나는데 반응생성물로 물이 제거되고 [그림 2(G)]처럼 가교결합을 형성할 수 있다. 앞에서 말 했듯이 이러한 가교결합이 자기제어적인 특성을 갖도록 해준다.

가교결합반응은 실록산 고분자 고리들을 연결 해주고 결과적으로 실리카(SiO2)로 고화되게 된 다. 실라놀은 고체상태 실리카를 통해 거의 확산 을 하지 못하기 때문에 더 이상 알루미늄 촉매원 자들에 도달하지 못하여 실라놀의 화학흡착은 중 단된다. 이것이 자기제어적인 특성을 갖게 하는 메커니즘이다. 이때 실리카 표면에 수산기 그룹이 충분히 존재하는 상태가 되어 Me3Al을 다시 주입 하면 [그림 2(A)]와 같은 최초반응을 반복하게 된다.

결론적으로, Me3Al와 (Bu^tO)3SiOH의 교대적 인 표면반응은 한 사이클 당 32 원자층 이상의 증 착속도를 갖는 실리카 나노라미테이트를 형성시 킨다. 기존의 원자층 증착과 비교할 때 이러한 증가 된 증착속도와 매우 우수한 두께 균일도는 앞으로 많은 응용을 가능케 할 것으로 예상된다[Science, vol. 298, p.402(2002)].

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최근 UC Santa Barbara 화학공학과의 Mc Farland와 Tang은 기존의 규소(silicon)계열 태

양전지에 비해 매우 경제적이며 내구성이 높은 염 료(dye)분자를 포함하는 Au/TiO2/Ti 다중 박막 구조로 이루어진 새로운 태양전지를 개발하였다.

태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치인 태양 전지는 환경 친화적일 뿐만 아니라 화석 연 료의 고갈에 따른 에너지 문제를 근원적으로 해결 할 수 있다는 점에서 1950년대에 그 가능성이 처 음으로 보고된 이래 50여 년간 저비용으로 고효율 의 성능을 갖는 태양전지 개발에 막대한 연구 투 자가 이루어져 왔다.

현재까지 개발된 태양전지들은 대부분 반도체 산업의 핵심 요소인 실리콘으로 이루어져 있는데, 빛의 구성 요소인 광자(photons)를 전자와 hole으 로 분리, 전환시켜야 하고 또한 이들을 집전기에 효율적으로 저장해야 하기 때문에 고가의 고순도 실리콘을 사용해야 하는 단점이 있다. 따라서 태 양전지로부터 얻어지는 전기 효율에 비해 그 제작 단가가 매우 높아 현재의 기술로서는 상용화가 거 186…NICE, 제21권 제2호, 2003

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그림 1. McFarland와 Tang에 의해 개발된 염료분자 가 흡착된 Au/TiO2/Ti 다중 박막형의 새로운 태양전 지의 구조.

의 불가능한 실정이다. 반면 [그림 1]에 나타낸 바와 같이 이번에 새로 개발된 태양전지 시스템은 빛의 흡수와 전하 전달 과정이 물리적으로 분리될 수 있도록 비실리콘 계열의 Au/TiO2/Ti의 다중 박막 구조로 디자인되어 있다. McFarland와 Tang에 의하면, 먼저 얇은 금 박막 표면에 흡착 되어 있는 염료분자에 의한 빛(광자)의 흡수가 일 어나 여기(excitation)되면서 전자가 박막 내부로 들어가게 된다[그림 1(과정 1과 2)]. 아울러 이 전 자들은 얇은 금 박막내부를 미사일처럼(ballistic trajectory) 움직이기 때문에 쇼트키 배리어 (Schottky barrier)를 넘어 TiO2층의 전도대로 이 동할 수 있는 것으로 제안되었다. 이 새로운 태양 전지의 특징은 빛에 의해 여기된 염료분자층이 금 박막에 있는 전자에 의해 자동적으로 재생되므로

광자의 전환 과정이 연속해서 진행될 수 있는 특징 을 가지고 있다.

Au/TiO2/Ti 다중 박막으로 만들어진 태양전지 는 100mWcm^-2의 가시광 하에서 600~800mV 전압과 10~18μAcm^-2의 전류를 생산하는 것으로 측정되어 빛을 전기로 전환시키는 총 효율은 1%

미만으로 높지 않지만, 내부 양자 효율(흡수된 광 자당 관찰된 전자의 비)은 약 10%에 이르기 때문 에 태양전지 연구에 새로운 전기를 마련한 것으로 평가되고 있다. 앞으로 다양한 종류의 다중 박막 합성과 태양전지에로의 적용 연구가 진행될 때 내 구적이며 보다 경제적인 태양전지의 개발이 빠른 시일 내에 가능할 것으로 예상되고 있다[Nature, Vol. 421, p. 586(2003)].

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 2, 2003…187

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