바이오인

핵심내용

“친환경적 소재를 접목한 저렴한 차세대 고효율 바이오-태양전지 기술 개발”

□ 국내 연구팀이 은 나노입자와 엽록소를 결합하여 기존보다 약 200% 향상된 성능을 보이는 “고효율 바이오-태양전지”를 개발하였다.

◦ 이번 연구를 통해 지구상에 무한히 존재하는 식물의 엽록소를 이용하여 저렴한 가격으로 친환경적인 전력 생산이 가능한 태양전지를 상용화 할 수 있는 기술적 토대를 마련하였다.

□ 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하고 있는 글로벌프런티어사업의 하이브리드인터페이스기반미래소재연구단(단장 김광호)과 강정구 교수팀(한국과학기술원)이 공동협력연구를 통해 수행되었으며, 이번 연구결과는 에너지 과학분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 에너지 메터리얼즈(Advanced Energy Materials)에 8월 13일에 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Light harvesting antenna using natural extract graminoids coupled with plasmonic metal nanoparticles for bio-photovoltaic cells

□ 현재 무한한 청청에너지원으로써 태양전지가 산업전반에 널리 보급되고 있는 추세이며, 그 중 실리콘 태양전지가 가장 보편적으로 사용되고 있다. 하지만 실리콘계 태양전지는 초기 투자비용이 아주 높아 상용화의 큰 진입장벽이 있다. 이로 인해 실리콘을 사용하지 않는 태양전지를 개발하려는 시도가 계속 되어 왔다.

◦ 엽록소는 식물이나 녹조류 등에서 대량추출이 용이하며, 가시광선 영역의 흡수특성이 좋아서 지표면에 입사되는 태양에너지를 효율적으로 활용할 수 있다. 이와 같은 특성으로 엽록소를 태양전지의 광흡수체로 사용할 경우, 태양전지의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 해결책이 될 수 있다. 하지만 기존의 무기물질로 구성된 태양전지 구성물과 자연생물체인 엽록소를 효과적으로 결합하는 방법이 제시되지 못하여 바이오-태양전지 개발에 어려움을 겪어 왔다.

◦ 연구팀은 10나노미터(nm) 크기의 미세한 은 입자를 식물에서 추출한 엽록소와 결합하여 기존보다 약 200% 향상된 고효율의 바이오-태양전지 제작에 성공하였다. 은 나노입자는 엽록소에서 빠져나가는 파장대의 빛을 흡수하여 재사용할 뿐만 아니라, 엽록소를 전극기판 위에 배열할 때 출력저하도 감소시켜 태양전지의 효율을 증가시키는데 핵심적인 역할을 하였다.

□ 연구진은 “이번 연구는 향후 카로티노이드, 알칸닌, 베타레인 등의 자연계에 풍부하게 분포되어 있는 다양한 광흡수체를 태양전지의 부품으로서 효과적으로 사용할 수 있는 해결책을 제시하였으며, 환경문제와 에너지 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 원천기술 개발과 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

상세내용

연 구 결 과 개 요

□ 연구배경

태양전지는 무한히 사용가능한 청청에너지 발생시스템 중 가장 진보된 기술로 2000년대 이후 독일, 미국, 일본 등을 기점으로 실생활뿐만 아니라 산업전반에도 널리 보급되고 있는 추세이다. 현재 단/다결정 실리콘 태양전지가 가장 보편적으로 사용되고 있으나 제조와 설치단가가 가스, 석유등의 화석연료 설비보다 아주 높아 진입장벽으로 여겨지고 있다. 이를 해결하기 위해 실리콘을 사용하지 않는 태양전지를 (무기박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지, 양자점 태양전지) 개발하려는 시도가 계속 되고 있다. 엽록소는 식물, 녹조류, 홍색세균등 자연계에서 태양빛과 물을 이용하여 영양분을 만들어내는 광합성작용을 통해 생존하는 생명체들의 핵심요소로 빛에너지를 흡수하는 안테나와 같은 역할을 하는 색소이다. 엽록소는 가시광선 영역의 흡수특성이 좋으므로 지표면에 입사되는 태양에너지를 효율적으로 활용 할 수 있고, 식물이나 녹조류 등에서 대량추출이 용이하기 때문에 태양전지의 광흡수체로 사용할 경우 태양전지의 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 해결책이 될 수 있다. 하지만 기존의 무기물질로 구성된 태양전지 구성물과 자연생물체인 엽록소를 효과적으로 배열 및 접합하는 방법이 제시되지 못하여 개발에 어려움을 겪어 왔다.

□ 연구내용

이에 강정구 교수를 필두로 한 연구팀은 플라즈몬 효과를 발생하는 10 나노미터 (nm) 이하의 크기의 미세한 은 입자를 식물에서 추출한 엽록소와 혼합하여 기존 보고된 수치대비 약 200% 향상된 고효율의 바이오-태양전지 제작에 성공하였다. 본 연구에서 핵심적인 역할을 하는 은 나노입자는 표면 플라즈몬 효과를 통해 엽록소에 누수 되는 파장대의 빛을 흡수하여 재사용할 뿐만 아니라, 인공적으로 추출된 엽록소를 전극기판위에 배열할 때 출력저하 요인으로 나타나는 전자-정공 재결합 현상도 감소시켜 주어 태양전지의 효율을 증가시키는데 핵심적인 역할을 하였다. 또한 태양전지 엽록체 분자의 말단 부위에 적절한 리간드 물질을 부착하고 태양전지의 전자 수용체인 이산화티타늄 물질을 길이 100 nm, 두께 10 nm의 나노판 형태로 제조하여 엽록소와 전자수용체간의 하이브리드 인터페이스를 구현하여 태양전지의 효율증대에 도움을 주도록 하였다.

또한 엽록소에 미치는 은 나노입자의 표면 플라즈몬 효과를 분석하기 위해 은 나노입자의 배열에 따른 표면 플라즈몬의 발광 효과를 시간영역 유한차분법 (finite-different time domain) 모델링을 이용하여 전산모사 하였고 이를 실험적 결과와 대비하여 설명하는데 성공하였다.

□ 기대효과

본 연구결과는 기존의 1%에 머물렀던 바이오-태양전지의 효율을 플라즈몬 효과와 엽록소와 전자수용체간의 접합관계 향상을 통해 3% 이상으로 향상시킴으로서 엽록소를 비롯한 카로티노이드, 알칸닌, 베타레인 등의 자연계에 풍부하게 분포되어 있는 다양한 광흡수체를 태양전지의 부품으로서 효과적으로 사용할 수 있는 해결책을 제시하였다는데 큰 의의가 있다. 향후 다양한 기능성을 가지는 새로운 다양한 하이브리드 소재의 디자인을 통해서 친환경적 에너지 저장 원천소재의 산업에 적용되어 국부창출의 근간이 될 것으로 기대된다.

연구 결과 문답 및 사진 설명

□ 사진 설명

그림 1. 플라즈몬 효과를 위한 은 나노입자와 식물의 광흡수체인 엽록소의 인터페이스 구조의 구현을 통한 고효율 태양전지의 모식도

그림 2. 식물에서 추출한 엽록소 (a, e), 플라즈몬 효과를 내는 은 나노 입자 (b, e), 전자흡수체의 이산화티타뉸 나노판의 (c, e) 투과전자현미경 (TEM) 사진

그림 3. (a) 은 나노입자의 플라즈몬 효과를 통해 향상된 엽록소의 빛 방출 스펙트럼, (b) 은 나노입자와 엽록소의 배열에 따른 빛 방출의 전산모사 결과