새로운 나노기술로 태양 전지 효율 10% 이상 향상

새로운 기술을 통해 이산화티타늄 나노로드를 조절 가능한 간격으로 성장시켜 태양 전지의 광 포집 및 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있습니다. 출처: Canva

중국과학원 허페이 물리과학원 왕밍타이 교수가 이끄는 연구팀은 개별 막대 크기를 바꾸지 않고도 간격을 조절할 수 있는 이산화티타늄 나노로드 어레이(TiO2-NA)를 성장시키는 정밀 조정 방법을 개발하고, 이를 고성능 태양 전지에 응용할 수 있음을 입증했습니다.

Small Methods 에 게재된 연구 결과는 청정 에너지와 광전자공학 분야에서 나노구조를 제작하기 위한 새로운 툴킷을 제공합니다.

단결정 TiO2 나노로드는 빛을 수집하고 전하를 전도하는 데 탁월하여 태양 전지, 광촉매, 센서에 이상적입니다. 그러나 기존의 제조 방식은 로드의 밀도, 직경, 길이를 서로 연관시킵니다. 즉, 하나의 매개변수를 조정하면 다른 매개변수도 그에 따라 변하여 소자 효율에 영향을 미치는 경우가 많습니다.

이 연구에서 연구팀은 전구체 필름의 가수분해 단계를 신중하게 확장함으로써, 더 긴 "겔 사슬"이 더 작은 아나타스 나노입자로 조립되는 것을 보였습니다. 아나타스 필름에 수열 처리를 하면, 이러한 아나타스 나노입자는 그 자리에서 루틸 형태로 변환되어 나노로드 성장의 씨앗 역할을 합니다. 이 가수분해 단계는 나노로드 크기를 변화시키지 않고도 로드 밀도를 효과적으로 제어할 수 있는 방법을 제공합니다.

이 전략을 사용하여, 연구팀은 면적당 막대의 개수가 변하더라도 막대의 직경과 높이가 일정한 TiO2-NA 필름을 제작했습니다. 저온 공정으로 제조된 CuInS2 태양 전지에 이 필름을 적용했을 때, 10% 이상의 전력 변환 효율을 달성하여 최대 10.44%의 효율을 달성했습니다. 연구팀은 간격이 왜 그렇게 중요한지 설명하기 위해 체적-표면-밀도 모델을 도입하여 막대의 밀도가 광 포획, 전하 분리, 그리고 캐리어 수집에 어떻게 영향을 미치는지 명확히 했습니다.

본 연구는 "거시공정 조절-미세구조 진화-소자 성능 최적화"를 연결하는 완전한 시스템을 구축함으로써 나노구조를 조절하는 기존 방법의 한계를 극복합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/07/250713031454.htm