CNTs 기반 태양전지가 태양광을 더 잘 이용하다

탄소 나노튜브는 1991년에 처음 발견된 이래로 독특한 광학적 특성과 다재다능함에 많은 관심을 끌었다. 

CNT 기반 태양전지는 저온 공정으로 인한 제조 비용 저감과 CNT의 기계적인 탄력은 플렉서블 소자를 만들 수 있지만 광변환 효율은 무기 태양전지에 비해 낮다. 

전 세계의 과학자들은 CNT 기반 태양전지 개발의 잠재적인 혜택이 부족한 효율을 만회할 것으로 생각하고 있다. 

효율 측면에서 CNT와 같은 유기 물질은 무기 태양전지 물질과 경쟁이 되지 않는다. 하지만, 안정적이고 저온 공정이 가능하기 때문에 플렉서블/플라스틱 태양전지에 편리하게 사용될 수 있어 저전력 응용에 쓰일 수 있다. 

연구의 첫 10년 동안 CNT 기반 태양전지의 효율은 ~1%에 머물렀는데 최근 한달간 발표는 효율에서 큰 점프가 여전히 가능하다는 것을 증명했다.  

최근 연구는 크게 두 가지 범주로 나뉜다: CNT 막을 기존 태양전지와 결합하는 것과 단일 또는 몇몇 CNT로 셀을 제조하는 것이다.  

CNT막이 광학적과 전기적 특성을 향상시키지만 문제는 어떻게 도너/업셉터 계면에 있는 엑시톤으로 부터 자유 전하 생성을 강화시키고 이후 각자 전극으로 물질을 통해 안내하는 것이다. 여기에 좋은 해답은 벌크 이종접합이다. 

탄소 시트를 나노튜브로 말때 특별한 지름과 비틀림(chirality로 정의)의 튜브를 형성할 수 있다. 각각의 chirality는 광파장의 좁은 범위를 흡수하고 수 백개의 서로 다른 chirality 형성이 가능하기 때문에 전에는 기존 태양전지에서는 사용하지 못했던 적외선 영역의태양광 파장을 이용할 수 있게 한다. 

최근 까지 연구자들은 동일 chirality를 갖는 CNT로 셀을 만들었는데 태양광 스펙트럼의 좁은 영역만 활용할 수 있고 태양광의 대부분을 버릴 수 밖에 없었다. 

따라서 이론적으로 다른 chirality를 갖는 SWCNTs을 적당히 조합하면 Si 태양전지에서는 배제되었던 가시광과 적외선 영역의 태양광을 이용할 수 있는 태양전지 제조가 가능하다. 

Hersam팀은 polychiral SWCNTs/플러렌으로 태양광의 근적외선 영역까지 흡수를 확장시켜 효율 3.1%을 얻었다. 

그들은 특정 태양광 스펙트럼 부분에 최적화된 여러 층을 갖는 polychiral CNT 태양전지를 만들면 더 많은 태양광을 활용할 수 있다고 한다.

CNT 태양전지는 상용화 시기를 예측하기 힘들지만 효율로 봐서는 가장 좋은 대안적 상용 태양전지가 되지는 못할 것은 확실하다. 

CNT의 단점은 다음과 같은 이슈 때문이다; 합성, 정제, 기능화, 공정과 소자 적용.

특히 CNT에서 가장 중요한 도전은 단일 chirality의 SWCNT를 대량으로 제조하는 것이다. CNT의 선택적 chirality 성장이 최근 보고 되었지만 여전히 대량의 SWCNT를 얻기 위해 후처리 방법에 대한 큰 노력이 필요하다. 

참고: http://www.photonics.com/Article.aspx?AID=56992