▲ 참여연구원 단체 사진. 왼쪽부터 고종관 박사과정생, 김은경 교수, 김종학 교수, 김병관 박사과정생, 김정훈 박사 (사진제공=교육과학기술부)  


차세대 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 가능성이 열었다.

교육과학기술부와 한국연구재단은 20일 연세대 김은경, 김종학 교수가 나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다고 밝혔다.

차세대 에너지 생산기술 중 염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 액체전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발, 고체전해질로 대체하기 위한 새로운 에너지 기술이 필요했다.

이에 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다.

특히 이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입해 빛 수확기술을 활용했다는 점이 큰 특징이다.

그동안 빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발돼 효과가 입증됐지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.

연구팀은 이번 개발을 통해 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝해 광전극을 만드는 데 성공했다. 이로써 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확, 광전변환효율을 극대화했다.

또 이번 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 장비(패턴장비와 노광장비)가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다.

더불어 스탬프의 크기와 개수를 조절해 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능하다.

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.

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 마련했다”고 덧붙였다.

 
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