종이보다 얇은 태양전지 나올까?

국내 연구팀, 가시광 흡수율을 높인 초박막 광소재 개발

▲원자층 증착법을 이용한 가시광 흡수율이 높은 소재 합성 및 광특성.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 종이보다 얇은 태양전지가 나올 것으로 기대된다. 국내 연구팀이 원자 단위의 미세 조절기술(원자층 증착법)로 가시광 흡수율은 4배 이상 높인 3나노미터(nm) 두께의 얇은 광소재를 개발했다.

그래핀과 같이 꿈의 신소재로 각광 받고 있으며 세상에서 가장 얇은 소재인 전이금속 이황화물질(MoS2, WS2)은 유연하고 가볍기 때문에 종이처럼 얇고 휘어지는 광센서, 광전지 등에 사용가능한 차세대 소재이다. 이런 전이금속 이황화물질은 밴드갭에 따라 빛이 흡수되는 파장이 다르다. 밴드갭을 조절해 원하는 파장대의 빛을 흡수할 수도 있고 다양한 파장대의 빛을 한 번에 흡수해 광 흡수율을 높일 수 있어 이를 조절하는 기술이 필수적이다.

연구팀은 기판 표면에 원자단위로 얇게 박막을 씌우기 위해 활용되던 원자층 증착법(Atomic layer deposition, ALD)을 이번 연구에 새롭게 도입했다. 이 방법은 금속 소스(금속이 포함된 원료)와 반응 가스를 교차해 주입함으로써 박막을 성장시키는 원리이다.

원료와 가스를 반응시켜 원자단위 박막을 성장 시키고 이를 되풀이해 박막 두께를 조절하는 원리이다. 연구팀은 텅스텐 소스와 몰리브덴 소스를 배합해 사용하고 반응 가스와 교차 주입함으로써 원자비율이 조절된 산화물 합금을 만들었다. 이어 황화 공정으로 마무리해 소재를 개발했다. 이 때 금속 소스를 배합하는 비율에 따라 원자비율이 달라지므로 밴드갭 조절이 가능해져 광 흡수율이 높은 소재를 만들어낼 수 있다.

이런 과정을 거쳐 3나노미터(nm) 두께의 얇은 두께에도 불구하고 붉은색에서 초록색까지 넓은 영역대의 가시광선 빛을 흡수할 수 있는 광소재가 나왔다. 기존의 전이금속 이황화 초박막 반도체 대비 같은 두께에서 4배 향상된 광 흡수율을 보이는 것을 확인했다.

김형준 교수(연세대)가 주도하고 송정규 연구원(연세대 박사과정, 제1저자)이 이번 연구를 수행했다. 연구 결과는 네이처가 발행하는 학술지인 네이처 커뮤니케이션스(Nature communications) 7월 23일자(논문명: Controllable synthesis of molybdenum tungsten disulfide alloy for vertically composition-controlled multilayer)에 실렸다.

김형준 교수는 "초박막 소재를 원자단위로 미세조절 하는 기술은 소재의 물성을 자유자재로 컨트롤 할 수 있는 원천 기술이어서 더욱 의미 있는 성과"라며 "앞으로 종이보다 얇고 구겨지는 태양전지, 광센서 등이 상용화 되는데 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr