[국내①] 신소재로 차세대 태양전지 효율 1.4배 높여, 태양전지뿐만 아니라 다양한 분야에 활용

우리나라 연구진이 전기가 잘 통하는 탄소를 나노 크기로 만들어 결합한 신소재 '하이브리드 탄소 나노 소재'로 차세대 태양전지(염료 감응형)의 효율을 높이는 기술을 개발했다. 김동하 이화여대 교수가 연구를 주도하고, 장윤희 박사 과정생 등이 참여했다.

김동하 교수 연구팀은 고분자(분자량 10만 이상)로 직접 제조한 하이브리드 탄소 나노 소재를 염료 감응형 태양전지에 도입해 효율을 높이는 데 성공했다. 염료 감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 실리콘 태양전지에 비해 제작 방법이 간단하며 경제적이다. 또한, 투명하기에 건물 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지다.
김 교수팀이 개발한 염료 감응형 태양전지는 하이브리드 탄소 나노 소재를 전지의 한쪽 전극(광 전극)에 붙여 전기가 잘 통하면서 경계면(Interface)의 저항을 최소화해 기존 전지의 효율을 최대 40%이상 높였다. 또한, 고분자를 기반으로 해 비교적 만들기 쉬우며, 태양전지를 포함한 다양한 에너지 소자의 전극 물질로 활용할 수 있다.
김 교수는 "하이브리드 탄소 나노 소재를 활용한 염료 감응형 태양전지는 전극의 전도성을 향상해 태양전지의 효율을 크게 높일 수 있다"면서, "우리 연구팀의 하이브리드 탄소 나노 소재는 태양전지뿐만 아니라 연료전지와 배터리의 핵심 구성 요소인 전극 소재, 친환경 가시광 활성 광촉매 분야에도 광범위하게 활용할 것으로 기대한다"라고 말했다.

태양전지 효율 견인
염료 감응형 태양전지는 상용 실리콘 기반 태양전지에 비해 광 전환 효율이 높고, 제작이 간단하며, 경제적이다. 염료 감응형 태양전지의 효율 향상과 상용화를 촉진하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발하다. ▲가시광뿐만 아니라 적외선 영역까지 포함한 모든 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료 ▲염료의 흡착과 전자 주입을 최대화하기 위한 산화물반도체의 구조 제어(특히, 이산화티타늄(TiO2)) ▲안정적이고 효과적인 환원을 유도하는 산화-환원 전해질 ▲값비싼 백금 전극을 대체하기 위한 연구 등이 대표적이다.
최근 염료 감응형 태양전지의 효율을 향상하고자 금속 나노 입자인 금 또는 은, 주기 구조를 갖는 물질인 광 결정(Photonic Crystal), 새로운 물질을 첨가하는 탄소 소재 등의 연구에 주목하고 있다. 특히, 높은 전기 전도도(Electrical Conductivity)를 갖는 탄소 나노 튜브, 탄소 나노 섬유, 그래핀Graphene과 같은 다양한 탄소 소재를 태양전지에 도입하면, 전자의 이동과 수집이 용이해 태양전지의 효율을 향상할 수 있다. 하지만 아직 탄소 소재와 이산화티타늄 계면에서 전자의 이동과 수집에 대한 영향을 분명히 이해하고 보고한 연구는 미비하다.
연구팀은 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 이중 블록 공중 합체를 이용해 제조하고, 이를 염료 감응형 태양전지의 광 전극에 도입해 효율 향상을 유도했다. 탄소 질 생성을 위해 별도 전구체나 활성화 촉매를 사용하지 않고도 자기 조립 이중 블록 공중 합체의 자외선 조사를 통한 안정화와 열처리로 직접 탄소화해 용이하고 경제적으로 탄소 질 박막을 제조했다. 그리고 이중 블록 공중 합체의 한 블록에만 특정 무기물이 특이적으로 결합하는 특성을 이용해 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 제조했다.

이중 블록 공중 합체의 안정화와 직접 탄소화로 제조한 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 염료 감응형 태양전지의 구성 요소인 광 전극에 도입해, 염료 감응형 태양전지의 광 전환 효율을 최대 40%까지 향상하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 기법으로 제조한 하이브리드 탄소/TiO2 박막이 높은 전기 전도성을 갖는 탄소를 포함하며, TiO2 나노 입자와 투명전극(FTO)과 탄소/TiO2 박막 사이 계면에서 저항을 줄임으로써, 여기勵起(Excitation)된 전자의 전달을 촉진해 염료 감응형 태양전지의 광 전환 효율을 향상하는 데 큰 역할을 한 것이다.
연구에서 제안한 탄소/TiO2 하이브리드 박막 제조 기법은 이중 블록 공중 합체를 이용한 쉽고 경제적인 기법이며, 이중 블록 공중 합체의 자기 조립 성질을 조절하면 다양한 구조와 조성을 갖는 하이브리드 나노 구조체를 제조할 수 있다.