SAINT 전일 교수 연구팀, 빛 증폭시키는 나노입자 신규물질 합성 및 페로브스카이트 소자 적용 보고

- Wiley EcoMat 저널, Korea TOP 3 University 특별호 게재  

- 불순물로 여겨지던 나노 입자를 페로브스카이트 광전 소자에 세계 최초 적용

나노공학과 전일 교수와 한지예 박사는 탄소나노튜브(CNT) 합성과정에서 발생하는 불순물 즉, 캡슐화된 금속 나노입자(Carbon-Encapsulated Metal Nanoparticles, M@C NPs)를 재활용하여 페로브스카이트* 태양전지에 세계 최초로 적용하였다. 이를 통해 버려지는 물질을 에너지 소자의 광학적 특성을 증대하는 소재로 가치를 높였다.

 * 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음

[그림 1] 업사이클링 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지

[그림 2] 탄소나노튜브 성장과정에서 생성된 캡슐화된 금속 나노입자(M@C NP)의 TEM 이미지 및 EDS 분석 결과

CNT를 합성하기 위해서는 필수적으로 촉매 역할을 하는 금속물질이 필요한데, 촉매는 CNT 성장에 도움을 주기도 하지만 합성과정에서 촉매 입자 또한 CNT의 주성분인 탄소로 둘러싸이게 된다. 그 결과, 캡슐화된 금속 나노입자(M@C NP)가 생성되며, 이는 탄소나노튜브의 순도(Purity)에 영향을 끼치기 때문에 일반적으로는 불순물인 M@C NPs을 분리 추출하여 버리거나 생성을 최소화시키기 위해 노력해 왔다. 본 연구팀은 버려지는 이 M@C NPs를 광전소자에 세계 최초로 적용하여 기존 금속물질 적용으로 인해 발생했던 페로브스카이트의 결함 형성 및 이온 이동(Ion migration)으로 인한 소자의 안정성 저하 문제를 해결하였다.

[그림 3] FeC@C NPs 층의 유무 및 위치에 따른 페로브스카이트 결정질 변화를 보여주는 SEM 결과

페로브스카이트 태양전지 (Perovskite Solar Cells, PSCs)의 효율을 높이기 위해 나노 입자(Nano Particles)를 활용하여 광학적 특성을 증대하는 연구가 활발히 이루어져왔다. 하지만 금속 나노 입자가 페로브스카이트와 직접적으로 접촉할 경우 결정 형성에 영향을 줄 뿐만 아니라 결함 형성 및 이온 이동(Ion migration)으로 인해 소자의 안정성이 저하되는 문제를 야기한다. 하지만 본 연구에 사용된 FeC@C NPs는 FexC1-x(Iron Carbide) 입자들이 탄소로 둘러싸여 캡슐화되어 있는 입자이기 때문에 종래기술의 문제인 페로브스카이트와의 접촉으로 인해 발생했던 문제점들을 모두 해결할 수 있다.

[그림 4] a-b) 시간 경과에 따른 DLS 분석 결과, c) 시간에 따른 나노 입자의 크기 변화 TEM 결과

또한, 나노입자들은 시간이 지날수록 응집하는 성질을 가지고 있다. 본 연구에 사용한 M@C NPs 입자들이 모여있을 경우, 탄소와 탄소 사이에 π-π Interaction으로 인해 일정한 간격(Gap)이 발생하며, 이때 발생하는 간격을 이용하여 광학적 효과(플라즈모닉스 효과, Plasmonic effect)를 추가적으로 활용할 수 있다. 더불어 FeC@C NPs의 응집체의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어 활용 가치가 매우 높다.

[그림 5] FeC@C NPs을 적용한 PSC의 결과; FeC@C NPs의 위치에 따른 각 태양광 파라미터를 비교한 그래프

전일 교수는 "생각의 전환을 통해 불순물로만 여겨졌던 물질을 광전소자의 광학적 특성을 증대시키는 중요한 소재로 탈바꿈" 하였다며 "금속을 다른 금속으로 대체할 수 있기에 향후 광학 특성을 극대화가 필요한 다양한 소자에 맞춤 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전과 환경문제 개선에도 도움을 줄 것"이라고 연구 의의를 밝혔다.

전일 교수 연구팀의 이번 연구는 한국과학기술정보통신부(MSIT)의 한국연구재단(NRF-2021R1C1C1009200, NRF-2021M3H4A6A01045764) 및 교육부, 한국연구재단(NRF)이 지원하는 BK21 FOUR(대학원혁신)의 지원과. 핀란드 아카데미(ANCED project)의 지원을 받아 수행되었다. 연구팀의 이번 연구성과는 Wiley사 신생저널인 EcoMat(IF: 12.213)의 대한민국 탑3 대학교 특집호*에 3월 21일(화) 게재되었다.

* 2022년 THE세계대학랭킹 기준

※ 논문명: Upcycled synthesis and extraction of carbon-encapsulated iron carbide nanoparticles for gap Plasmon applications in perovskite solar cells

※ DOI: https://doi.org/10.1002/eom2.12342