염료감응 태양전지용 고성능 그래핀 상대전극 개발

안정성 확보된 염료감응 태양전지 상용화 가능성 연다!

김 미 선 기자

차세대 태양전지로 주목받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화를 위해 저가·장수명·고효율 염료감응 태양전지의 개발에 전 세계적인 관심과 연구가 집중되고 있다.

상용화 가능한 수준의 염료감응 태양전지를 개발하기 위해서는 전지를 구성하는 염료, 광전극, 전해질, 상대전극에 대한 개별적인 고성능화 연구 및 이들 간 조화로운 융합 연구가 필요하다. 그 중 상대전극으로 백금이 일반적으로 사용되고 있는데, 백금 상대전극은 요오드계 전해질 또는 최근에 개발된 고전압형 코발트계 전해질에 대해 전기화학적으로 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 고효율·안정성이 확보된 염료감응 태양전지를 제작하는 데 한계가 있어 대체물질의 개발이 시급한 실정이다.

이와 관련해 국내 고려대학교 김환규 교수팀은 흑연에서부터 가장자리만 선택적으로 질소가 도핑된 그래핀을 제조하고, 이를 상대전극으로 활용해 고효율 염료감응 태양전지를 개발했다.

기존 연구에 이용되던 백금 상대전극은 제조 비용이 비싸고, 전해질과의 산화환원 반응 과정에서 부식이 되는 단점이 있어 고효율·안정성이 확보된 태양전지를 제작하는 데 한계를 보여 왔다. 하지만 이번에 개발된 질소가 도핑된 그래핀 상대전극은 백금 상대전극보다 촉매 특성 및 전기화학적 안정성이 우수하고, 금속을 사용하지 않기 때문에 부식의 위험이 없어 친환경적이다. 이와 동시에 값싼 흑연을 이용하고 제조 공정 또한 단순하기 때문에 저가의 상대전극을 대량 생산할 수 있어 기존의 백금전극을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

고려대 김환규 교수팀은 흑연 가장자리에 선택적으로 아미노기를 도입한 후 열처리를 해 질소가 도핑된 그래핀을 제조하고, 이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 사용한 결과, 그래핀 기반 염료감응 태양전지 분야에서 우수한 광변환 효율(9.3%)을 얻어냈다.

먼저 흑연과 4-aminobenzoic Acid를 PPA/P2O5(Poly (Phosphoric Acid)/Phosphorus Pentoxide) 매질에서 반응시켜 유기물(Aminobenzoyl : 작용기)로 개질된 흑연을 얻고, 이를 질소 분위기하에서 900℃에서 2시간 열처리하면 가장자리만 선택적으로 질소가 도핑된 그래핀이 제조된다. 흑연을 PPA/P2O5 매질에서 교반하는 과정에서 물리적 박리로 벌어진 흑연의 층과 층 사이에 유기물이 쐐기 역할을 해 그래핀으로의 전환을 돕는다.

이렇게 제조된 그래핀을 코발트 전해질 기반 염료감응 태양전지의 상대전극으로 응용한 결과, 기존의 백금을 능가하는 촉매 특성을 얻을 수 있었으며, 전기화학적으로도 백금전극보다 안정성이 우수한 고효율의 염료감응 태양전지를 제조할 수 있었다.

가장자리만 선택적으로 기능화된 그래핀 상대전극의 대량 생산 기술을 통해 염료감응 태양전지 제작 비용을 절감할 수 있어 태양전지 산업에 막대한 파급효과가 미칠 것으로 보인다. 또한 물을 포함한 다양한 용매에 안정적으로 분산되는 장점을 지니고 있어, 염료감응 태양전지 외 연료전지 양극, 금속 공기 전지 등에도 다양하게 응용할 수 있다. 더욱이 기능기를 가진 그래핀 촉매는 분산성이 크게 향상되기 때문에 다양한 전기·전자 디바이스 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.

김환규 교수는 “이번 연구 결과는 기존 백금 상대전극의 한계를 극복할 저가의 고안정성·고효율 대체 소재를 개발한 것으로, 염료감응 태양전지 조기 상용화의 기반을 마련한 것”이라고 평가했다.

한편, 이번 연구 성과는 나노기술 및 재료 분야의 권위지인 ACS 나노(ACS Nano) 6월호에 게재됐다.

Tech Tip

염료감응 태양전지(Dye-sensitized Solar Cell)

염료감응 태양전지는 식물의 광합성시 엽록소라는 염료가 빛을 흡수하는 원리를 응용한 것으로, 나노 크기의 유기염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 발생시키면 이를 이산화티타늄(TiO2) 입자를 통해 전극에 전달함으로써 전기를 생산하는 원리로 작동한다. 기존 실리콘 태양전지에 비해, 제조 공정이 단순해 생산원가를 1/4 정도로 낮출 수 있으며, 투명하게 제작이 가능해 자동차 유리나 건물 유리창에 부착해 사용할 수도 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

그래핀(Graphene)

흑연(Graphite)은 탄소로 이뤄진 벌집 모양의 판이 여러 층 쌓인 물질로, 흔히 연필심으로 쓰인다. 이러한 다층의 흑연을 한 층으로 떼어낸 것이 그래핀이다. 그래핀의 두께는 0.34nm로 매우 얇고 투명하며, 화학적 안전성과 전기전도성이 뛰어나 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 주로 반도체로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하며 열전도성은 다이아몬드보다 2배 이상 높다. 특히 탄성이 좋아서 늘리거나 접어도 전기전도성을 유지하므로 휘어지는 전자기기, 태양전지 등에 광범위하게 활용할 수 있다.

상대전극(Counter Electrode)

염료감응 태양전지에서 상대전극은 산화된 염료를 환원시키는 데 사용된 전해질을 다시 환원시키는 촉매 역할을 한다. 일반적으로 상대전극의 촉매 특성은 전해질과의 전하전달저항(Charge Transfer Resistance, Rct)으로 표시되며, Rct가 작을수록 촉매 특성이 우수함을 나타낸다. 상대전극 소재로는 전해질과 화학적 반응성이 없는 백금, 탄소, 전도성 고분자 또는 이들 간 혼합물들이 사용되고 있다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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