차세대 반도체 물질, AgBiS2

차세대 반도체 물질, AgBiS₂

대학생신재생에너지기자단 25기 배현지

 

[양자점 태양전지의 새로운 방향]

반도체를 아주 작게 만든 물질인 양자점은 입자의 크기가 매우 작아서 크기에 따라 광학적 성질이 달라진다. 이와 같은 특이한 현상은 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유자재로 바꿀 수 있게 만든다. 따라서 양자점은 반도체에 의한 광 흡수를 이용해 광전자 및 태양광 응용 분야에 적용되고 있다.

반도체의 최적 두께는 광 흡수에서 가장 중요한 요인인 흡수 계수에 따라 결정한다. 이때 흡수 계수는 재료의 특성에 따라 달라지며 일반적으로 황화납 (PbS), 셀렌화카드뮴 (CdSe)와 같은 재료가 광범위하게 연구 중이다. 하지만 PbS와 CdSe는 중독 및 환경오염을 유발할 수 있는 독성 물질이다. 이에 따라 기존 독성 원소계 물질을 대체하기 위해 무독성과 비중금속 흡수제로의 움직임이 생겼다. 여러 대안 중 콜로이드성 삼성분계 은 비스무트 황화물 나노 결정 (AgBiS₂ NC)이 환경친화적 반도체 재료로 주목받기 시작했다.

 

[AgBiS₂란]

AgBiS₂는 Ag^1⁺와 Bi^3⁺가 각각 여섯 개의 S^2⁻ 원자와 결합하여 AgS₆ 및 BiS₆ 팔면체를 형성한다. 이러한 연결된 팔면체 구조는 구조적 왜곡이 쉽게 일어나지 않으므로 반응에 대한 안정성이 높다. 게다가 알칼리 금속 양이온 및 할라이드 음이온으로 동시에 AgBiS₂ 나노입자 표면을 코팅하면 광학 특성과 태양전지 소자에 대한 성능을 향상시킬 수 있다.

[자료 1. AgBiS₂의 팔면체 구조]

출처 : The Materials Project

AgBiS₂의 또 다른 특징으로는 높은 흡수 계수를 가지고, 무독성 원소로 구성됐다는 점이다. 또 1.1eV 밴드갭을 가지지만 조정할 수 있기에 높은 전류 출력과 전력 변환 효율에 대한 잠재력을 가진다. 추가로 유기 용매 등을 이용해 액체화하여 기판 위에 증착이 가능하므로 매우 얇은 광활성 층을 사용할 수 있기에 차세대 박막 태양전지용 광 활성 물질로 주목받고 있다. 한 연구에서 필름의 두께가 35nm일 때 전력 변환 효율이 6.3%로 나타났다.

 

[AgBiS₂ 합성]

AgBiS₂를 합성하는 데에는 전기화학 증착, 스핀 코팅 증착, 콜로이드 합성 등 다양한 방법이 있다. 이중 스핀 코팅 증착은 다른 방법에 비해 단순하기 때문에 박막 제조에 주로 사용된다. 스핀 코팅을 하기 위해서는 우선 Ag와 Bi의 각각 분자 전구체를 특정 용액에 용해한다. 이후 유리나 알루미나와 같은 평평한 기판 위에 적정량의 Ag와 Bi를 떨어뜨리고 기판을 회전시켜 원심력에 의해 액체를 코팅시킨다. 이때 Ag와 Bi의 조성 비율 및 액체를 코팅하는 횟수 등에 따라 반도체의 특성이 달라진다. 이렇게 코팅된 기판에 다양한 촉매를 추가로 스핀 코팅하고 열을 가해 굳히는 과정을 반복하면 우리가 아는 태양전지 기판으로 작용하게 된다.

 

[자료 2. AgBiS₂ 합성 과정. a) 분자잉크 생성, b) 스핀 코팅, c) 열 분해 및 결정화]

출처 : SPRINKER LINK

 

[광전기화학에서의 역할]

전기화학의 분야 중 광 에너지를 이용해 전극에서 산화, 환원 반응을 일으키는 광전기화학 (PEC) 학문이 있다. 특히 PEC은 물 분해를 통해 수소를 생산하여 지속 가능한 에너지 변환을 제공한다. 그러나 광 양극을 사용하는 대부분의 반도체가 자외선에서 활성이 제한되고, 독성 성분을 가지며 복잡한 재료 처리가 필요하다는 단점이 있다.

하지만 광 양극에 AgBiS₂의 나노 결정을 사용하면 전자 수집 능력이 향상된다. 또한 전하 이동에 대한 계면 저항이 일반적인 광 양극 재료인 TiO₂, Bi₂S₃보다 높은 광전류 밀도를 보인다. 광전류 밀도는 빛을 가했을 때 단위 면적당 생성되는 전류의 양을 나타내므로 가시광선 영역에서 PEC에 AgBiS₂ NC가 적용하면 20% 이상 효율 상승이 기대된다.

[자료 3. AgBiS₂ NC를 통한 그린수소 생산]

출처 : ACS Publications

AgBiS₂가 가장 기대되는 점은 물에 대한 저항성이다. 기존 PbS와 같은 다른 태양전지는 습기에 노출되면 성능이 떨어진다. 하지만 AgBiS₂는 물 처리 후에도 화학 조성 및 결정 구조가 변하지 않기에 물 분해를 통한 수소 생산에 적합한 재료로 기대된다. AgBiS₂ NC는 전도 위치를 조작하여 물의 산화∙환원 전위를 일치시키면 물 분해 및 수소 저장이 유리해진다. 실제로 AgBiS₂는 황산나트륨 용액에서 양극으로 사용됐을 때 뛰어난 출력을 보였으며, 가시광선 조건에서 높은 광전류 밀도를 달성했다. 또한, AgBiS₂–TiO₂ 복합재는 수소 발생 속도를 크게 증가시켜 그린 수소 생산에 유망한 후보로 주목받고 있다. AgBiS₂의 이러한 특징 덕분에 친환경적이고 효율적인 그린 수소 생산에 크게 기여할 것으로 기대된다.

[자료 4. (a), (b), (c) 물 처리 전후 AgBiS₂ NC 박막의 XPS 스펙트럼 (d) 물 처리 전후 AgBiS₂ NC 박막의 XRD 패턴]

출처 : SPLINGER LINK

 

[다양한 응용 분야 및 미래 전망]

AgBiS₂는 광촉매 이외에도 다양한 응용 분야를 가진다. 많은 연구에서 유기체에 잔류물을 남기지 않고 기능하는 특징으로 암 치료나 종양의 약물 전달로 사용된다는 연구 결과가 있다. 또 조정 가능한 밴드갭을 통해 식품 및 과일에 존재하는 살충제 감지에도 AgBiS₂ 복합체를 사용하고 있다.

하지만 AgBiS₂에는 아직 풀리지 않은 문제가 많다. 셀에서 나오는 최대 전압인 개방 회로 전압 (Voc)과 홀 수송층 계면에 에너지 준위 구조가 최적화되지 않고 있다. 이와 같은 한계를 해결하기 위해서는 AgBiS₂ NC의 품질을 개선하기 위해 AgBiS₂ 합성에서 리간드의 사슬 길이를 변경하는 등 용매 엔지니어링에 초점을 둔 연구가 필요해 보인다. 

그럼에도 독성이 없는 친환경적 특징과 합성 과정의 단순성은 상업화를 용이하게 하고 다양한 분야로 응용이 기대된다. 앞으로의 연구와 개발을 통해 성능과 적용 가능성이 더욱 향상된다면, AgBiS₂는 지속 가능한 에너지 변환과 친환경 기술 혁신에 크게 이바지할 것이다. AgBiS₂는 그린 수소 생산뿐만 아니라 다양한 산업 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 전망된다.

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광전극에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "다른 형태의 태양 전지: 광전기 화학전지", 작성자(23기 김태현), https://renewableenergyfollowers.org/4249

다른 형태의 태양 전지: 광전기 화학전지

2. "광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물분해(Water Splitting) 그리고 수소에너지", 작성자(3기 최일용), https://renewableenergyfollowers.org/1103

광전기화학셀(Photoelectrochemical Cell)을 이용한 물분해(Water Splitting) 그리고 수소에너지

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참고문헌

[양자점 태양전지의 새로운 방향]

1) 오재택, " 친환경 AgBiS2 나노결정 합성과 물저항성을 갖는 광전소자로의 응용 ", 한양대학교 , 2022. 02.

[AgBiS2란]

1) Ignasi Burgués-Ceballos, "Colloidal AgBiS2 nanocrystals with reduced recombination yield 6.4% power conversion efficiency in solution-processed solar cells", Nano Energy. 75, 104961, 2020. 09. 01.

[AgBiS2 합성]

1) Viktor A. Öberg, Malin B. Johansson, Xiaoliang Zhang and Erik M. J. Johansson, "Cubic AgBiS2 Colloidal Nanocrystals for Solar Cells", ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 5, 4014–4024, April 8, 2020.

[광전기화학에서의 역할] 

1) Jin Young Park, Gisang Park, "Ecofriendly AgBiS2 Nanocrystal Photoanode for Highly Efficient Visible-Light-Driven Photoelectrochemical Water Splitting", ACS Appl. Energy Mater. 2023, 6, 7, 3872–3880, March 18, 2023.

2) Viktor A. Öberg, Malin B. Johansson, Xiaoliang Zhang and Erik M. J. Johansson, "Cubic AgBiS2 Colloidal Nanocrystals for Solar Cells", ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 5, 4014–4024, April 8, 2020.

[다양한 응용 분야 및 미래 전망] 

1) Viktor A. Öberg, Malin B. Johansson, Xiaoliang Zhang and Erik M. J. Johansson, "Cubic AgBiS2 Colloidal Nanocrystals for Solar Cells", ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 5, 4014–4024, April 8, 2020.