건국대 이재준 교수팀, DSSC 광병환 효율 향상 최적화 구조 첫 규명

이 주 야 기자

건국대학교 글로컬캠퍼스 자연과학대학 응용화학과 이재준 교수의 나노화학 및 광전기화학 연구실 연구팀은 전도성이 높은 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료감응 태양전지(DSSC)의 광변환 효율을 높일 수 있는 최적화 구조를 처음으로 규명했다고 밝혔다.

건국대-프라운호퍼 차세대태양전지연구소 부소장인 이 교수 연구팀의 이 같은 ‘염료감응 태양전지 광전극내 탄소나노튜브역할 규명 및 개방전압 감소 최소화를 통한 태양전지 효율 향상 구조’를 제시한 논문은 영국 왕립화학회가 출간하는 SCI 급 국제 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics) 최근호(2012년도 제14호)의 표지 논문으로 선정돼 게재됐다.

이 교수 연구팀은 차세대 태양전지 가운데 가장 유망한 염료감응 태양전지의 효율 향상을 위해 광전극에 대표적인 고전도성 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브를 적용해 염료감응 태양전지의 개방전압 감소를 최소화함으로써 광변환 효율을 최대 6~7% 정도 증가시켰다.

염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로 기존의 실리콘 태양전지보다 경제적이며 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지다.

이번 연구는 탄소나노튜브를 염료감응 태양전지에 도입해 진행된 많은 연구에도 불구하고 아직 규명되지 않았던 탄소나노튜브의 영향을 체계적으로 분석해 이론적으로 해석했을 뿐 아니라 이를 실험적으로 구현해 증명한 첫 연구라고 평가할 수 있다.

일반적으로 염료감응 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄(TiO2) 나노입자들 간의 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공구조를 형성하고 있으며, 이에 따라 나노입자간의 전자전달 효율이 낮은 점이 전체 태양광에너지 변환효율 향상을 위해 해결해야 할 문제점 중의 하나로 알려져 왔다.

이 같은 문제 해결을 위해 그동안 광전극내의 TiO2 배향성을 증가시키거나 나노선 또는 나노크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하고자 하는 연구들이 시도됐으나 이러한 구조들 자체가 불안정하고, 큰 면적에 적용하기 매우 어려운 한계가 있어 실질적으로 태양전지 제작에 활용되기 어려웠었다.

건국대 나노화학 및 광전기화학 연구실 이재준 교수팀은 이번 연구에서 광전극의 메조 다공구조를 유지한 채 고전하 전도성 특성을 가지는 대표적인 탄소계 나노물질인 CNT를 도입함으로써 공정상의 어려움이라는 근본적 문제를 피할 수 있을 뿐 아니라 CNT의 고전도성을 활용함으로써 태양전지의 전하포집 효율이 증가되는 효과를 동시에 활용할 수 있는 기술을 개발했다.

이 교수는 이번 논문에서 특히 계면에서의 전자전달 특성 변화의 원인 규명에 대한 실험적, 이론적 연구결과를 설명하고 CNT를 첨가할 때 발생하는 개방전압의 감소를 최소화 할 수 있는 광전극 구조에 대한 연구 결과를 제시했다.

일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자포집효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만 대부분의 경우 개방전압의 급격한 감소로 인해 실질적인 태양전지 효율의 향상을 이끌어 내지 못하는 것으로 알려져 왔다.

그러나 이번 연구에서는 CNT가 광전극내에 도입될 경우 형성되는 다양한 계면들에서의 계면상태 에너지 분포와 변화가 개방전압의 감소와 밀접한 상관관계가 있음을 규명했으며, 이러한 특성을 기반으로 개방전압의 감소에 직접적인 영향을 주는 계면상태의 분포를 최소화할 수 광전극의 구조를 제안했다. 이번 연구에서 제안하는 광전극 나노구조를 활용할 경우 CNT를 사용하지 않았을 때에 비해 6~7% 정도 광효율이 증가했다.

이번 연구 결과는 일반적으로 약 15㎛ 이상 상당히 두꺼운 후막상태로 만들어지는 광전극과 액체전해질을 사용하는 일반적인 염료감응 태양전지보다 수 ㎛ 이하로 훨씬 얇은 박막상태의 광전극에 적용할 경우 그 효과가 극대화되기 때문에 향후 저온소성 공정을 필요로 하는 유연기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 기대된다.

한편 이 교수 연구팀은 본 연구 결과와 예측을 기반으로 한국과학기술원(KAIST) 신소재과학부 강정구 교수 연구팀과 함께 질소가 도핑된 탄소나노튜브를 활용함으로써, 순수한 탄소나노튜브만을 사용했을 경우에 비해 개선된 계면특성을 활용할 경우 광전극 내의 계면상태 분포의 조절 없이도 비슷한 효율향상의 효과를 얻을 수 있음을 보고했으며, 이 논문 또한 PCCP 지에 최근에 최종 게재 확정되어 온라인상에 출간된 상태이다.

이번 연구는 교육과학기술부와 연구재단이 지원하는 일반연구자지원사업 및 중견연구자지원사업 그리고 지역혁신인력양성사업의 지원을 받아 수행되었으며, 서울시가 지원하는 세계 유수연구소 유치지원사업으로 진행된 건국대-프라운호퍼 차세대태양전지연구소 사업의 지원을 받는 등 기초연구에 대한 장기간의 꾸준하고도 지속적인 지원을 기반으로 이루어진 연구결과라고 할 수 있다.

이재준 교수는 “본 연구결과를 또 다른 대표적인 탄소계 물질인 그래핀을 도입해 적용하는 방법과 저온소성기반 염료감응 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 다양한 연구를 구상 중이며, 또한 비액체형 전해질이 도입된 유연성 염료감응 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반기술의 개발과 관련된 후속연구들을 진행 중”이라고 밝혔다.

현재 이재준 교수는 2012년 1월부터 한국전기화학회의 태양전지분과회장직을 맡아 동 분야 연구자들과의 활발한 학술 및 연구교류를 이끌고 있다.

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