연세대 김은경·김종학 교수 연구팀…투과되는 빛까지도 반사·수확

나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

연세대 김은경·김종학 교수가 주도하고 김정훈 박사, 고종관·김병관 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업의 지원으로 수행됐으며 연구결과는 응용화학 분야에서 권위를 자랑하는 '앙게반테 케미(IF=13.455)'지 최신호에 게재됐다. 

태양전지는 소재나 사용목적, 효율 등에 따라 많은 기술로 세분화되는데 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 이 가운데 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. 

김은경·김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정되면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다. 특히 이번 연구성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입, '빛 수확기술'을 활용했다는 점이 큰 특징이다. 빛 수확기술(Light Harvesting)은 태양 빛을 흡수해 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실없이 흡수해 더 많은 전기를 생산하는 기술이다.

연구팀은 이번 연구에 앞서 지난해 처음으로 열에 의해 중합되는 전도성 고분자 단량체를 나노크기의 구멍에 넣은 후, 그 속에서 직접 전도성 고분자를 키워 그것을 전해질로 이용해 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했다. 특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝하여 광전극을 만들어 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 수확해 광전변환효율을 극대화했다. 

연구팀 개발한 이번 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에 고가의 장비가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다. 또 스탬프의 크기와 개수를 조절해 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고 패턴스탬프를 여러번 재사용해도 전혀 문제가 없어 대량생산도 가능하다는 것이 연구진의 설명이다. 

김은경 교수는 "이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새나가는 빛까지도 흡수해 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀냈다"며 "또 무기나노입자를 직접 패터닝해 처음으로 효과적인 빛 수확용 전도성 고분자 기반 광전극을 개발했다는데 큰 의미가 있다"고 밝혔다.

 

▲이번 연구의 프로세스 및 대면적 염료감응형 대양전지 광전극.
<사진=한국연구재단 제공> ⓒ
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