POSTECH, ‘사다리’로 효율 높인 염료감응형 태양전지 제작 성공

연구성과

POSTECH, ‘사다리’로 효율 높인 염료감응형 태양전지 제작 성공

2014-12-01 969

화공 박태호 교수팀, 전자전달․염료재생성 우수한 염료감응형 태양전지 개발

페인트를 바르듯 유리창에 염료를 바르는 것만으로도 전기를 생산해낼 수 있는 새로운 개념의 태양전지로 주목받아온 염료감응형 태양전지는 따로 충전하지 않아도 스스로 전기를 만들어 움직이는 스마트워치 등에 활용될 것으로 전망되고 있다. 하지만, 실제로는 전자 전달이나 염료 재생성 면에서 아직 상용화 단계에 이르지는 못한 이 기술을 POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 전자 전달을 느리게 하는 장벽을 넘는 ‘사다리’를 이용해 상용화를 크게 앞당겼다.

POSTECH 화학공학과 박태호 교수․박사과정 임종철․통합과정 김태환 씨팀은 염료감응형 태양전지의 단점으로 지적됐던 전자 재결합과 염료 재생성을 동시에 해결, 효율을 크게 높인 기술을 발표했다.

에너지분야 국제 권위지인 ‘에너지․환경과학(Energy & Environmental Science)’지 12월호 표지논문으로 소개된 이 기술은 휘어지는 기판에도 적용할 수 있어 플렉서블(flexible) 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

염료감응형 태양전지는 다른 태양전지와 달리 설비가 간편하고, 그 응용방법도 다양해 특히 경쟁적으로 연구되는 분야지만, 태양전지가 만들어낸 전자가 원치 않는 반응으로 사라져버리는 ‘재결합 반응’과 염료가 전자를 만들어낸 다음 새로운 전자를 만들기 위해 재생돼야 하지만 빨리 재생되지 않는, 낮은 ‘재생성 반응’ 때문에 상용화되기 어렵다는 지적을 받아왔다.

연구팀은 이중결합을 가진 새로운 물질(3,4,5-tris-butenyloxy benzoic acid (TD))을 이용해 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서 생성된 전자가 에너지 장벽을 넘어 전극으로 잘 이동할 수 있도록 하는 ‘사다리’역할을 하도록 하는 한편, 물질의 특성을 이용, 전해질로 사용되는 요오드 이온의 산화를 활성화시키면서 염료가 빠르게 재생, 환원 되도록 하는 기술을 내놨다.

지금까지 대부분의 기술들이 전자가 전극으로 이동하도록 하는 기술에만 치중해 염료의 재생성 속도는 해결하지 못한 반면, 박 교수팀이 내놓은 기술은 전자가 무사히 전극으로 이동하도록 하면서도 빠르게 염료가 재생되도록 하는 ‘일석이조’의 효과를 가지고 있다.

이 기술은 염료감응형 태양전지의 상용화를 크게 앞당긴 한편으로, 현상의 원리를 밝히는 과정에서 나노단위의 염료나 전극의 계면에서 나타나는 전자의 이동현상을 규명해내 다양한 광전자 연구분야에도 응용될 것으로 기대된다.

연구를 주도한 박태호 교수는 “투명/플렉서블 고효율 태양전지는 염료감응형 태양전지를 이용해 실생활에 쓰이는 유리소재와 전자기기에 응용해 무궁무진하게 활용할 수 있으며 특히 소형화가 가능해 주목을 모으는 기술”이라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프런티어사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐다.