탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료감응형 태양전지(DSSC)의 광변환 효율을 높일 수 있는 최적화 구조가 국내 연구진에 의해 처음으로 밝혀졌다.

건국대학교 글로컬캠퍼스 자연과학대학 응용화학과 이재준 교수(사진) 연구팀은 전도성이 높은 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 염료감응형 태양전지의 개방전압 감소를 최소화함으로써 광변환 효율을 최대 6~7% 정도 증가시켰다.

일반적으로 염료감응형 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄(TiO₂) 나노입자들 간의 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공구조를 형성하고 있다. 이에 따라 나노입자간의 전자전달 효율이 낮아 태양광 변환효율 향상에 어려움이 있었다.

이같은 문제 해결을 위해 그동안 광전극내의 TiO₂ 배향성을 증가시키거나 나노선 또는 나노크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하고자하는 연구들이 시도됐다. 그러나 이러한 구조들 자체가 불안정하고, 큰 면적에 적용하기 매우 어려운 한계가 있어 실질적으로 태양전지 제작에 활용되기 어려웠다.

이재준 교수팀은 이번 연구를 통해 고전도성 CNT를 도입해 광전극의 메조 다공구조를 유지한 채 태양전지의 전하포집 효율이 증가되는 효과를 동시에 활용할 수 있는 기술을 개발한 것이다.

일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자포집효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만 대부분의 경우 개방전압의 급격한 감소로 인해 실질적인 태양전지 효율의 향상을 이끌어 내지 못하는 것으로 알려져 왔다.

그러나 이번 연구를 통해 CNT가 광전극내에 도입될 경우 형성되는 다양한 계면들에서의 계면상태 에너지 분포와 변화가 개방전압의 감소와 밀접한 상관관계가 있음을 규명했다. 교수팀은 이러한 특성을 기반으로 개방전압의 감소에 직접적인 영향을 주는 계면상태의 분포를 최소화할 수 광전극의 구조를 제안했다.

이번 연구 결과는 일반적으로 약 15 마이크로미터 이상 상당히 두꺼운 후막상태로 만들어지는 광전극과 액체전해질을 사용하는 일반적인 염료감응형 태양전지보다 수 마이크로미터 이하로 훨씬 얇은 박막상태의 광전극에 적용할 경우 그 효과가 극대화된다. 이에 향후 저온소성 공정을 필요로 하는 유연기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 기대된다.

이재준 교수는 “이번 연구결과를 또 다른 대표적인 탄소계 물질인 그래핀을 도입하여 적용하는 방법과 저온소성기반 염료감응형 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 다양한 연구를 구상 중”이라며 또한 “비액체형 전해질이 도입된 유연성 염료감응형 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반기술의 개발과 관련된 후속연구들을 진행 중”이라고 밝혔다.

한편 이 교수 연구팀은 본 연구 결과와 예측을 기반으로 KAIST 신소재과학부 강정구 교수연구팀과 함께 질소가 도핑된 CNT를 활용함으로써 순수한 CNT만을 사용했을 경우에 비하여 개선된 계면특성을 활용할 경우 광전극내의 계면상태 분포의 조절 없이도 비슷한 효율향상의 효과를 얻을 수 있음을 보고했다.

이들 연구 논문은 영국 왕립화학회가 출간하는 SCI 급 국제 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics)에 게재됐다.