차세대 태양전지인 염료감응형 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 개념의 “3차원 전극”이 세계 최초로 국내연구진에 의해 개발되었다.
이번 연구결과는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 일반연구자지원사업(기본연구)의 지원을 받아 서강대 문준혁 교수(35세) 연구팀(석사과정 조창열, 주저자)에 의해 구현되었다.
이 연구결과는 재료분야의 국제적 학술지인 ’어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ 5월 18일자 온라인 판에 게재되었다.
(논문명 : Hierarchically porous TiO2 electrodes fabricated by dual templating methods for dye-sensitized solar cells)
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 실리콘 기반의 기존 상용 태양전지와 비교하여 효율이 높고 제작이 간단하여 경제성이 있다. 특히 투명하게 제작할 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 적용이 가능한 차세대 태양전지로서 많은 연구가 진행되고 있다.
염료감응형 태양전지는 빛을 받으면 전자를 발생(광전변환)시키는 염료를 흡착시킨 산화티타늄(TiO2) 전극과 전해질, 그리고 양극(+) 역할을 하는 상대전극으로 구성된다.
염료가 빛을 받아 전자를 발생시키면 이를 산화티타늄 전극이 수집하여 외부 전극에 전달하는 방식으로 전류를 공급하는데, 발생하는 전자를 산화티타늄 전극이 전달하는 과정에서 손실이 일어나 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
효율을 높이기 위해서는 전극에 염료가 흡착되는 표면적을 넓히고, 산화티타늄 전극 내부의 전자 전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 해야 한다.
기존에는 산화티타늄 나노입자를 표면에 코팅하여 다공질 구조를 형성하였는데, 이 경우 나노입자와 기공의 무질서한 배열로 인해 효율 향상에 한계가 있었다.
이를 개선하여 나노튜브와 같이 규칙적으로 정렬된 2차원 구조를 형성하여 전자전달을 유도하는 시도가 있었고 기존 전극보다 향상된 광전 변환특성이 보고되었다.
문준혁 교수 연구팀은 이에서 더 나아가 3차원에서 정렬된 나노기공구조를 갖는 전극을 세계 최초로 개발하여 염료감응형 태양전지에 적용하는데 성공하였다.
연구팀은 3차원의 빛 패턴을 이용해 재료를 깎아내는 3차원 리소그래피 기반의 하향식 공정과 나노입자의 자기조립 특성을 이용한 상향식 공정을 복합화한 공정을 개발ㆍ적용하였다.
이를 통해 3차원에서 정렬된 수십나노미터 직경의 기공들이 모여, 다시 수백나노미터 수준에서 정렬된 멀티스케일 3차원 전극을 개발하였다.
또한 연구팀은 개발한 3차원 전극소재가 광전변환 특성에 있어 기존 전극소재를 능가할 수 있음을 발표하였다.
연구팀의 이번 연구결과를 통해 신개념의 3차원 전극소재 기술을 확보하였으며, 3차원 전극 개념은 태양전지뿐 아니라 다른 다양한 에너지 소자에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
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