나노패턴기술을 이용해 차세대 태양전지 광전효율을 높이다

□ 나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 차세대 태양전지의 광전변환 효율*을 높일 수 있는 가능성을 열었다.

* 광전변환 효율 : 빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있음

○ 연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사 및 고종관, 김병관 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터(ERC)사업의 지원으로 수행되었고, 응용화학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)’지 최신호(7월 9일자, 온라인판)에 속표지논문으로 게재되고 ‘Hot Paper’로 선정되었다.

(논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)

□ 차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재, 사용목적 및 효율에 따라 많은 기술로 세분화되는데, 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

○ 그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지*는 기존에 상용화된 실리콘, 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있다.

* 염료감응형 태양전지(DSSC) : 염료(색소)를 이용해 태양 빛을 전기로 바꾸는 태양전지

○ 염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 액체전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하여, 고체전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되었다.

□ 김은경, 김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자*와 나노패터닝** 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하였다.

* 전도성 고분자 : 전기를 흐를 수 있게 하는 고분자로서, 태양전지 개발에 핵심이 되는 기능성 고분자

** 패터닝(patterning) : 일정한 크기와 형태를 갖도록 만드는 작업

○ 특히 이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술*을 활용했다는 점이 큰 특징이다.

* 빛 수확기술(Light Harvesting): 태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용하여 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술

○ 빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.

○ 연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합*되는 전도성 고분자 단량체**를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하였다.(Advanced Materials 지, 23, 1641-1646, 2011, 인용지수: 13.877)

* 중합(polymerization) : 단량체 화학반응으로 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응

** 단량체(monomer) : 고분자화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질

○ 전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 단점(액체전해질)을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의 고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었다.

□ 특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝하여 광전극을 만들어, 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화하였다.

○ 연구팀의 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 장비(패턴장비와 노광장비)가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다. 또한 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능하다.

○ 아울러 마이크로미터(백만분의 1미터)에서부터 수백 나노미터(10억분의 1미터)까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다. 그리고 이 기술은 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있다.

○ 연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 나타냈다. 또한 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면에, 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면, 7.03%의 높은 광전효율을 나타냈다.

□ 김은경 교수는 “이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수하여 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또한 무기나노입자를 직접 패터닝하여 처음으로 효과적인 빛 수확용 전도성 고분자 기반 광전극을 개발했다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.

○ 김종학 교수는 “이번에 개발된 요오드 없는 태양전지에 나노패터닝 기술을 이용해 미래에너지인 태양전지뿐만 아니라 다양한 전자소자에도 활용할 수 있어 아직 해결되지 않은 기술들을 해결할 수 있는 기반을 마련하였다”고 덧붙였다.

<자료문의>
☎ 02-2100-6830, 교과부 기초연구지원과장 염기수, 사무관 박영미
☎ 02-2123-5752, 연세대학교 화공생명공학과 김은경 교수