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염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 실리콘 기반의 기존에 상용하는 태양전지와 비교하여 효율이 높고 제작이 간단하면서 경제적이며, 투명하게 제작할 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있어 전 세계 연구자들의 주목을 받고 있습니다.

염료감응형 태양전지는 박막 증착공정 중에서는 화학증착법(CVD)이 가장 우수한 제조방법이지만, 박막을 증착할 때 고온(200℃ 이상)이 필요하고, 섬유나 종이와 같은 곳에는 증착할 수 없는 단점이 있었습니다.

차세대 태양전지인 염료감응형 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있는 방법을 충남대 연구팀이 개발했습니다.

충남대 윤순길 교수팀은 상온에서 탄소나노튜브에 나노클러스터 증착법(NCD)으로 나노복합체를 형성해 태양전지의 전기화학적 성능을 3배 이상 향상시켰습니다. 

나노 클러스터  증착법(NCD, Nano-Cluster Deposition)은 기존의 박막증착기술을 뛰어 넘는 신개념의 증착법으로, 윤 교수팀이 독자적으로 개발하여 한국과 미국의 특허 등록했습니다.

실제 박막증착에 활용되는 화학증착법 (CVD) 와는 다르게 showerhead에서 반응가스가 분해되고 반응하여 nano-cluster 들이 형성하게 하여 기판(substrate) 에 증착하게 함으로써 상온증착이 가능하게 하는 Nano-Cluster Deposition (NCD) 의 개요도

연구팀의 NCD를 이용하면 CVD의 장점에 저온(상온)에서도 증착할 수 있어 다양한 재료에 자유자재로 적용할 수 있습니다.

그동안 전 세계 연구자들은 나노복합체를 이용해 광 전기화학의 성능향상을 위해 꾸준히 연구해왔지만, 약 30%의 효율에 그쳤습니다.

그러나 이번 연구로 탄소나노튜브에 NCD법으로 나노복합체(산화티타늄과 산화인듐주석)를 적층하여 효율을 70%까지 획기적으로 향상시켰습니다.

이번 연구결과는 염료감응형 태양전지에 활용되어 에너지 생산효율을 크게 높일 뿐만 아니라 광 촉매제로도 사용되어 물로부터 수소와 산소를 생산하는 효율을 극대화할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구결과는 재료분야의 권위 있는 학술지인 'Advanced Materials(IF: 10.857)'지에 온라인 속보(11월 7일)로 게재되었습니다. 
(논문명 : Enhanced Photoelectrochemical Activity of the TiO2/ITO Nanocomposites Grown onto Single-Walled Carbon Nanotubes at a Low Temperature by Nanocluster Deposition)
 용  어  설  명

TiO2/ITO/SWCNT 나노복합체 :
먼저 광에너지를 흡수하기 위해서는 단위부피당 면적이 많아야 한다.
그러기 위해서는 single-walled CNT(단일 층 카보 나노튜브)는 가느다란 실 같은 것들이 서로 얽혀있어 매우 많은 면적을 제공하며, 여기에 광 촉매제로 사용되는 TiO2 를 단차피복성이 좋은 화학증착법으로 증착하여 면적을 넓힐 수 있다.

그러나 TiO2 가 광을 흡수하여 전자를 생산하면 이들이 CNT 를 통과해야 하는데 TiO2 와 CNT 사이의 접촉에서 저항이 크므로 이를 낮추기 위해 저항성이 낮은, 전기전도도가 큰 ITO 전극을 사이에 적층하여 만든 복합체이다.
(a) CNT-ITO, CNT-ITO-TiO2 나노복합체의 결정성을 나타내는 X-ray 회절패턴,
(b) 카본나노튜브의 실제모습
(c) 카본나노튜브에 ITO 를 증착한 모습 
(d) 카본나노튜브에 ITO 와 TiO2 를 증착한 실제 모습

NCD (Nano-Cluster Deposition) :

보통 화학증착법과는 달리 보이는 showerhead 에 온도를 높여 (약 250-300oC: 일반적인 CVD 에서는 약 150oC 근방) 서 여기서 챔버로 들어온 반응기체들을 분해하고 반응시켜 얻고자하는 박막의 nanocluster (나노결정)을 형성하여 아래에 있는 기판위에 낮은 온도(상온도 가능)에서 결정화된 박막을 얻는 독창적 증착법 (한국 및 미국 특허 등록).

Photoconversion efficiency(광변환 효율) :  
밑 그림은 연구실에서 만들어진 TiO2/ITO/CNT 나노복합체들을 이용하여 형성된 소자를 이용하여 광 특성을 여러 가지 전해질 (electrolyte) 에 따라 광 변환 효율을 나타낸 것으로서, NaCl 용액의 경우에 최대 효율이 약 70% 가까이 나타냄을 알 수 있다. 지금까지 발표된 효율은 약 20% 내외인 것에 비교하면 약 3배 이상의 증가를 보여준다.

(a) 는 각 용액에 TiO2/ITO/CNT 나노복합체를 넣어 UV(ultra violet : 자외선) 을 쪼인 후에 전압에 따라 측정한 전류밀도,
(b) 는 각 용액에 따라    측정한 광변환 효율. 여기서 용액인 0.1mole NaCl (pH= 3.0) 의 경우에 광 변환효율이 약 70% 에 달함 (기존 발표된 것 보다 약 3배이상 달성),
(c) 사용된   각 용액들의 광흡수능력을 나타냄. 

posted by 글쓴이 과학이야기

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