나노패턴 기술로 연료감응형 태양전지 효율 높힌다

차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재나 사용목적, 효율 등에 따라 기술이 세분화됩니다.

그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 현재 상용화된 실리콘이나 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고, 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광 받고 있습니다. 

염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체 전해질을 주로 사용하는데, 액체 전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하기 때문에 고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 진행 중입니다.

■ 연세대 김은경, 김종학 교수팀이 나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지를 개발했습니다. 

이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수하여 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀낸 것이 특징입니다.

연구팀은 나노미터 크기의 미세한 구멍을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발했습니다.

이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술(Light Harvesting)을 활용했다는 점이 특징입니다.

빛 수확기술은  태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 핵심 기술로, 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었습니다.

그러나 연료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 어려움이 많았습니다.

전도성 고분자와 고분자 전해질은 전도도가 높고, 기존의 염료감응형 태양전지의 액체전해질 단점을 극복할 수 있는 장점이 있지만, 대부분의 고분자는 크기가 크기 때문에 햇빛이 태양전지의 무기나노입자 사이의 구멍으로 침투할 수 없어 효율이 높은 태양전지 개발에 어려움이 있었습니다.   

특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 나노크기로 작게 패터닝하여 광전극을 만들고, 흡수되지 못해 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화시켰습니다.

PDMS 탄성체 스탬프를 이용한 나노패터닝 프로세스 및 대면적 광전극. (왼쪽 세 개의 그림) 나노 스탬프를 이용하여 패터닝을 하여 좋은 빛 반사특성을 갖는 광전극 제조. 여러 개의 나노스탬프를 이용하여 대면적의 광전극(400 cm2)을 만든 실제 사진. 여러 개의 스탬프나 큰 면적의 스탬프를 이용하여 더 넓은 면적의 광전극과 태양전지 모듈을 만들 수 있는 가능성을 제시하였다.

■ 연구팀의 기술은 기존 태양전지를 만드는 과정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에, 고가의 패턴장비와 노광장비가 필요한 공정에 비해 매우 간단해졌습니다.

또 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며, 대량생산도 가능합니다.

아울러 마이크로미터에서 수백 나노미터까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하고, 이 기술을 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있습니다. 

연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 보이고 있습니다.

또 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2~3%의 낮은 효율을 보이는 반면 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면 7.03%의 높은 광전효율을 나타내고 있습니다.

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 개발한바 있습니다.(Advanced Materials 지, 23, 1641-1646, 2011, 인용지수: 13.877) 

이번 연구는 연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사, 고종관, 김병관 박사과정생이 참여했습니다.

연구결과는 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed., IF=13.455)'지 7월 9일 온라인판에 속표지논문으로 게재되고, 'Hot Paper'로 선정되었습니다.     
(논문명 : Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells)

나노패턴이 형성된 광전극이 들어오는 빛을 흡수하여 전기로 변환시키고, 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 반사시켜 다시 전기에너지로 바꾸는 그림 (왼쪽아래). 20 나노미터 크기의 티타늄 산화물을 300 나노미터 크기의 패턴으로 만든 주사전자현미경 사진 (돋보기 안). 결함 없이 대면적 패턴이 가능함을 보여주는 주사전자현미경 사진 (둥근 바탕화면). 전도도가 높은 전도성 고분자를 의미하는 그림 (화학구조)

 

<연 구 개 요> Nanopatterning of Mesoporous Inorganic Oxide Films for Efficient Light   Harvesting of Dye-Sensitized Solar Cells Jeonghun Kim†, Jong Kwan Koh†, Byeonggwan Kim, Jong Hak Kim*, Eunkyoung Kim*  (Angewandte Chemie International Edition, 51, 28, 6864-6869 (2012) 7월 9일 출판) ○ 전도성 고분자와 태양전지 전도성 고분자는 전기를 흐르게 하는 기능성 고분자로서 전기로 색이 변하는 디스플레이부터 높은 전도도를 이용한 전극제조, 정공 전달 특성을 통한 LED, 태양전지 등 다양한 응용분야에 사용되고 있는 스마트 재료이다. 화학적 구조 변화를 통하여 다양한 특성을 제어할 수 있으며, 연구가 활발히 진행되고 있다. 미래 에너지 생산 기술가운데, 무한한 태양 빛을 이용하는 태양전지는 자연으로부터 많은 에너지를 얻을 수 있는 기술로서, 다양한 소재, 사용 목적, 효율에 따라 많은 기술로 세분화 되며, 상용화 및 저가화를 위해 많은 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이중, 염료감응형 태양전지는 실리콘, 고분자 태양전지에 비해 제조가 쉽고, 단가가 낮으며 상대적으로 높은 효율을 갖기 때문에 미래 태양전지중의 하나로 각광받고 있다. 염료감응형 태양전지는 요오드(I2)를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 이 액체전해질은 고온에서의 팽창으로 인한 누출 및 낮은 안정성을 갖고, 전극의 부식과 같은 심각한 문제를 유발하기 때문에, 이를 고체전해질로 대체하기위한 기술이 활발히 진행되고 있다. 본 연구진은 열에 의해 중합이 되는 높은 전도도를 갖는 전도성 고분자를 정공전달물질로 이용하여 고체태양전지를 개발하였으며, 높은 성능을 보여주었다. 본 논문에서도 전도도가 높은 전도성 고분자를 이용하여 고체전해질로 사용하였으며, 높은 효율을 보여주었다.      ○ 빛 수확기술 최근 들어 세계적으로 태양전지 개발은 동일 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하여더 많은 전기를 생산해 낼 수 있는 기술개발에 많은 연구가 진행되고 있다. 빛 수확기술에는 나노와이어, 나노튜브, 광결정과 같은 나노구조를 이용하거나 반사필름의 부착, 산란을 일으키는 전해질 등, 빛을 효과적으로 이용하려는 시도가 활발히 이루어지고 있다.   나노 패턴을 이용한 빛 수확기술은 실리콘 태양전지, 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과를 증명하였지만, 태양전지의 큰 주축인 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝 해야 하기 때문에 어려움이 있었다.  (그림 1) 나노패턴이 형성된 광전극 제조 방법. (a) 나노스탬프의 전자현미경 사진 및 실제 사진 (b) TiO2 계면 코팅 (c) 산성 TiO2 페이스트를 이용한 TiO2 층 제조. (d) 중성 TiO2 페이스트를 코팅. (e-g) 나노스탬프를 이용한 패터닝 공정. 본 연구에서는 PDMS 탄성체 패턴 스탬프를 이용하여 기존의 광전극 위에 간단한 방법으로 무기산화물 나노입자의 패턴을 효과적으로 제조하였다. [그림 1] 기존의 광전극 제조에 사용되는 나노입자 코팅액은 입자간의 밀집도를 높이기 위하여 산성 물질이 들어있다. 산성을 띄는 물질은 PDMS 탄성체의 표면을 -OH 작용기로 바꾸게 되고, 이 작용기는 TiO2 나노입자 표면에 존재하는 -OH와 반응하여 결합을 하게 되는데, 패터닝 공정에서 건조 후 나노스탬프를 떼어 내는 공정에서 소수성 성질을 갖는 PDMS가 뜯기어 TiO2 표면에 남게 된다. 이는 광전극 패턴 공정 후 친수성 염료용액을 이용하여 염료를 흡착할 때 친수성 용액이 소수성 TiO2 표면을 통해 들어갈 수 가 없고 염료가 흡착되지 않아 태양전지를 제조할 수 없게 된다. [그림 2d-e] 반면에 중성을 띄는 TiO2 코팅액은 PDMS 표면과 반응하지 않아 PDMS 잔류물 없이 떼어진다. 따라서 염료가 효과적으로 흡착되게 된다. [그림 2b-c] 이 후에 전도성 고분자를 투입시켜 중합한 후[그림2 f-h] 최종적으로 요오드가 들어가 있지 않은 고체상 염료감응태양전지를 제조한다.[그림 2a]  (그림 2) (a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극. ○ 나노 패턴 및 광학적 성질 본 논문에서는 주기가 600nm 이고 패턴 사이즈가 300nm 인 나노패턴 형성을 목표로 하였으며, 최적 패턴사이즈를 빛 반사 성능을 수식으로 부터 시뮬레이션을 통해 확인하였다. (그림 3) (a) 산성페이스트로 만든 광전극 표면 전자현미경 사진. (b-c) 산성페이스트로 만들어진 광전극위에 중성 페이스트를 이용하여 만든 나노패턴 단면 및 표면 전자현미경 사진. (d-e) 그림 b-c의 확대 전자현미경 사진. (f) 나노스탬프를 재사용하여 만든 나노패턴 전자현미경 사진. (g-h) 나노스탬프의 원자현미경 사진. (i-j) 나노패턴이 형성된 광전극의 표면 원자현미경 사진. 그림 3과 같이 전자현미경과 원자 현미경을 이용하여 나노스탬프와 패턴이 형성된 나노입자를 확인하였다. 고온에서 열처리 중에 유기물이 타면서 패턴 사이즈가 원래 사이즈에서 조금 줄긴 하였지만, 주기는 600nm로 유지하고 있음을 확인하였으며, 결함 없이 나노 선 패턴이 성공적으로 형성되었음을 확인하였다. 본 연구진은 마이크로부터 수백 나노 크기의 패턴까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다는 것을 실험을 통해 밝혔다. 또한 사용한 스탬프는 계속 재사용할 수 있다는 것을 확인하였으며[그림 3f], 이를 통해 대량생산 공정에도 적용 가능함을 보여주었다. (그림 4) (a) 빛의 반사를 이용한 빛 수확기술의 모식도. (b) 나노패턴이 있는 전극과 없는 전극의 반사율 측정. (c) 제조된 염료감응태양전지의 단면 전자현미경 사진. (d) 전도성 고분자의 효과적인 침투를 확인하기 위한 염료감응태양전지의 단면 SEM-EDS 사진 (원소분석). (e) 제조된 태양전지의 전압-전류 그래프. (f) 제조된 태양전지의 양자효율 측정 그래프. 그림 4a는 광전극의 투명한 성질 때문에 광전극에서 모두 흡수되어 사용되지 못하고 나가는 빛이 나노패턴에서 반사되어 다시 광전극으로 들어와 흡수되어 빛이 수확되는 "빛 수확 (light harvesting)" 현상을 보여준다. 그림 4b에서 보는 바와 같이 나노패턴이 형성된 광전극은 가시광선 전 영역에서 기존의 광전극 보다 2배 가까운 빛 반사특성을 보여 기존의 염료감응형 태양전지가 모든 빛을 다 사용하지 못하고 투과시켜 버려지는 빛을 수확할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 전도성 고분자가 메조포러스 기공에 효과적으로 침투된다는 것을 SEM-EDS를 통해 확인할 수 있었다.[그림 4c-d] ○ 태양전지의 효율 및 다양한 응용가능성 패턴이 형성된 태양전지는 패턴이 없는 태양전지보다 전류밀도가 40% 증가하였으며, 전체적으로 태양전지 광전변환효율은 33% 증가하였다. [그림 4e-f] 나노패턴만을 이용하여 이정도의 효과는 보고된 바는 없다는 사실에서 효과적인 기술임이 입증되었다.  이 기술은 나노입자를 효과적으로 마이크로사이즈로부터 나노사이즈까지 이르는 패터닝 공정을 제시한 것으로써, 다양한 염료, 전해질, 무기 나노입자, 재료를 사용하는 염료감응형 태양전지뿐만 아니라 하이브리드 태양전지 및 다양한 광전소자에도 응용될 수 있으며, 패턴의 사이즈와 개수를 늘려 대면적화가 가능하고 나노스탬프를 계속적으로 사용될 수 있기 때문에 대량생산 및 모듈화가 가능한 나노패터닝 공정을 제시했다는 점에서 큰 의의가 있다.

 

 용  어  설  명

염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)
염료(색소)를 이용하여 태양 빛을 전기로 바꾸는 태양전지

전도성 고분자 (Conductive Polymer)
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자이며, 공액구조 길이와 단분자 구조에 따라 광전특성이 제어되는 가볍고 유연한 전자 소재임. 디스플레이, 투명전극, 태양전지, 발광소자 등에 두루 사용되고 있는 핵심 기능성 고분자.

광전변환 효율 
빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있음

전도성 고분자 
전기를 흐를 수 있게 하는 고분자로서, 태양전지 개발에 핵심이 되는 기능성 고분자

패터닝(patterning)
일정한 크기와 형태를 갖도록 만드는 작업

빛 수확기술(Light Harvesting)
태양 빛을 흡수하여 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용하여 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술

중합(polymerization)
단량체 화학반응으로 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응 

단량체(monomer)
고분자화합물을 구성하는 단위가 되는 분자량이 작은 물질

Angewandte Chemie International Ed. 
응용화학 연구 분야에서 최고의 권위를 인정받고 있는 대표과학전문지 ,전 과학 분야에서 상위 1.1% 이내에 랭크되는 학술지로, 융합(Multidisciplinary) 분야에서 4.6%(7위/152개) 이내에 든다. (피인용지수: 13.455)

Advanced Materials 
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 3.9%(6위/152개) 이내 재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary)분야 2.6%(6위/231개)안에 든다. (피인용지수: 13.877) 

Advanced Functional Materials
재료과학 연구분야에서 최고의 권위를 인정받는 학술지로, 화학 (Chemistry)과 융합(Multidisciplinary)분야에서 6.5%(10위/152개) 이내  재료과학(Materials Science)과 융합(Multidisciplinary) 분야 4.3%(10위/231개)안에 든다. (피인용지수: 10.179)

 
<광전극 제조 프로세스 동영상>

1. 동영상 #1: 나노스탬프를 이용한 나노패터닝
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm 
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=YXZ0aTYrWVlQV3FBRlJ5WHd2VWtXQT09.avi

2. 동영상 #2: 결함 없는 탈착공정
링크 :http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=eWQ5clM2YUlsTzVrTUhjT0JSTXgxdz09.avi

3. 동영상 #3: 나노패턴이 형성된 대면적 광전극
링크:http://web.yonsei.ac.kr/eunkim/Supplementary.htm
다운로드:http://webhard.yonsei.ac.kr/pub.php?get=S3NuMlBVN21weDlLb0FPSUEvOUVEdz09.avi

 

<김은경 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과                     ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/eunkim    http://web.yonsei.ac.kr/APCPI 2. 학력  ○ 1978 - 1982  연세대학교 화학과 학사      ○ 1982 - 1984  서울대학교 화학과 석사     ○ 1985 - 1990  미국 University of Houston, 화학과 박사 3. 경력사항  ○ 1990 - 1992  University of Houston, 화학과, Visiting Assistant Professor  ○ 1992 - 2004  한국화학연구원, 화학소재부, 책임연구원  ○ 2004 - 현재  연세대학교 화공생명공학과 교수     ○ 2004 - 현재  Adjunct Principal Research Scientist, KRICT  ○ 2006, 2007, 2009  Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Cachan,   Paris-6 Univ., Rennes Univ., France   ○ 2006 - 2010 나노기술을 이용한 바이오 융합사업 혁신클러스터, 센터장  ○ 2007 - 현재  ERC (패턴집적형 능동폴리머 소재연구센터) 센터장   ○ 2012 Invited Professor, Ecole Normale Superieure de Lyon, France 4. 전문 분야 정보  ○ 교육과학기술부?한국연구재단 선도연구센터(ERC) 센터장 (2007 - 현재)  ○ 나노기술을 이용한 바이오 융합산업 혁신 클러스터, 센터장, (2006 - 2011)  ○ SCI 논문 136편 및 특허 100 건 이상 5. 수상 경력  ○ 2001 제1회 올해의 여성 과학기술자상, 과학기술부   ○ 2006 일본화상학회 회장특상  ○ 2009 제4회 아모레퍼시픽(AMOREPACIFIC) 여성과학자상 대상 외 다수  6. 주요 논문업적 - 유기합성을 기반으로 한 공액구조의 기능성고분자 합성 및 응용에 대한 연구를 지향하며, 특히 전도성고분자, 형광고분자를 이용한 디스플레이, 센서, 태양전지, 줄기세포 연구 등의 다양한 응용분야에 폭넓은 연구를 진행하고 있으며, 패터닝 공정을 이용한 광전기적 특성을 제어하는 연구를 활발히 진행하고 있다. Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS nano, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Macromolecules의 최상급 저널을 포함하여 136편 이상의 SCI 논문을 발표. 국내외 특허 출원 및 등록 100여건 이상.

<김종학 교수> 1. 인적사항  ○ 소 속 : 연세대학교 화공생명공학과               ○ home-page: http://web.yonsei.ac.kr/EML 2. 학력  ○ 1998   연세대학교 화학공학과 공학사   ○ 2000   연세대학교 화학공학과 공학석사  ○ 2003   연세대학교 화학공학과 공학박사  ○ 2005   MIT 재료공학과 박사후 연구원  3. 경력사항   ○ 연세대학교 화학공학과 공학사 (1998)  ○ 연세대학교 화학공학과 공학석사 (2000)  ○ 연세대학교 화학공학과 공학박사 (2003)     ○ MIT 재료공학과 박사후 연구원 (2005)  ○ 연세대학교 화공생명공학과 조교수, 부교수 (2005-현재) 4. 전문 분야 정보  ○ 2006 - 현재: 한국 막학회 학술이사, 편집이사, 기획이사  ○ 2007 - 현재: 한국 화학공학회 NICE지 편집위원  ○ 2011 - 현재: 한국 광과학회 이사  ○ 2012 - 현재: 한국 청정기술학회 이사  ○ 2007년 연세대 우수강의 교수상   ○ 2009년, 2011년 연세대 우수업적 교수상   ○ 2011년 한국막학회 논문상 수상  5. 주요 논문업적 - 신에너지 전기화학 소재 분야와 (태양전지, 연료전지, 리튬전지 등), 기능성 고분자, 유무기 나노소재, 나노 복합체, 고분자 전해질, 나노입자 그리고 나노 분리막 분야의 연구를 지향하며, Angewandte ChemieInt. Ed., Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Chemical Communications, Journal of Materials Chemistry, Journal of Physical Chemistry, Macromolecules, Journal of Membrane Science 등 총 160여 편 게재. 국내외 특허 출원 및 등록 50여건.