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무한한 태양을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로,  특히 효율성이 높은 차세대 박막 태양전지 개발이 전세계으로 진행되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮고 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었습니다.

최근 이를 해결하고자 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려는 시도가 있지만, 지금까지는 최대 5~6%의 효율에 그치며 상용화에 미치지 못하고 있습니다.

■ 성균관대 박남규 교수팀이 유-무기물이 복합된 반도체 염료로 1/100만 m 이하의 얇은 산화물 전극을 이용해 광전변환 효율을 기존보다 두 배 이상 향상시킨 태양전지를 개발했습니다.

연구팀은 수 나노미터의 매우 작은 유무기하이브리드반도체 염료를 0.6 마이크로미터의 얇은이산화티타늄 필름에 흡착, 표준 태양광조건에서 세계 최고 효율인 9.7% 수준의 박막 태양전지를 개발했습니다.

박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트 염료를 스핀 코팅하여 1분 이내에 흡착할 수 있어, 12시간 이상 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 또 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장됩니다

 또 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월합니다.

(a) 고체 염료감응 태양전지 디바이스, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진.

페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛 세기에 따른 광전류 상관관계

염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한 그리드패러티 차세대 태양전지를 개발할 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 참여했습니다.

(오른쪽에서부터) 박남규 교수, 김희선 석박통합과정생(제1저자), 임정혁 박사과정생(공저자)

마이클 그랏첼(Michael Gratzel) 교수는 세계 최초로 염료감응형 태양전지(DSSC)를 개발한 사람입니다.

연구결과는 '네이처' 자매지인 'Nature Scientific Reports' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%) 
 

<연 구 개 요>
 
Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%
Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker, Jun-Ho Yum, Jacques E. Moser, Michael Graetzel & Nam-Gyu Park (Nature Scientific Reports, 2012. 8. 21. 출판)


1. 연구 내용
 
염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성을 할 때 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.
염료감응 태양전지의 작동원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료는 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성한다.
전기적 일을 마친 전자는 전해질 또는 홀전도체를 경유하여 다시 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 두 가지 형태로 제조될 수 있는데, 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극과 산화환원 전해질로 구성된 액체형 구조가 있고, 다른 형태는 액체 전해질 대신 고체 홀전도체로 구성된 고체형 구조가 있다.
액체전해질은 주로 요오드 물질을 이용하게 되며, 고체형 홀전도체는 스피로(spiro)라는 물질을 이용한다.
액체전해질형은 이산화티타늄 필름 두께가 10 마이크로미터 이상을 요구하는 반면, 고체형은 1-2 마이크로미터로 더 얇은 박막구조가 가능하다.
액체전해질은 전해질 누액이 문제가 될 수 있지만 고체형은 이런 문제가 없는 보다 안정적인 태양전지가 가능하다.
최근 연구는 장기 안정성 문제를 해결하면서 박막화로 낮은 제조단가가 가능한 고체형 연구에 많은 노력을 집중하고 있다. 

 
염료로 사용되는 물질로는 천연염료, 합성염료 등이 많이 사용되어 왔으며 주로 유기물질 (탄소, 수소, 산소, 질소로 이루어진 물질)로 구성되어 있다.
하지만 유기염료는 흡광계수 (빛을 흡수하는 정도)가 10,000-50,000 정도로 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 이산화티타늄 두께가 10 마이크로미터 이상이 요구되는 반면, 무기물질 (주기율표에서 모든 원소)로 구성된 염료는 유기염료 보다 흡광계수가 10배 이상 높기 때문에 상대적으로 낮은 1-2 마이크로미터 두께의 이산화티타늄에서도 충분히 빛을 흡수할 수 있다.
이런 이유로 최근 고체형 박막 염료감응 태양전지에서는 무기물질을 나노크기의 양자점으로 이산화티타늄에 흡착하여 고효율화 연구에 주력하고 있다.    

고체형 염료감응 태양전지용 무기반도체 염료로는 주로 황을 포함하는 물질, 예를 들면 CdS, Sb2S3 등이 연구되어 왔으며, Sb2S3 물질을 이용하여 효율 6.3%가 지금까지 알려진 최고 수준이었다.
하지만 고체형 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 5-6% 효율 보다 더 높은 효율의 재료 및 소자기술이 요구된다.  

 
본 연구에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 (CH3NH3)PbI3 광흡수물질과 spiro-MeOTAD 홀전도체를 이용하여 표준 태양광 조건에서 9.7%의 고체형 염료감응 태양전지를 개발하였다.
페로브스카이트 광흡수염료를 약 0.6 마이크로터 두께의 나노기공크기의 다공성 이산화티타늄 필름에 스핀코팅 공정을 이용하여 2-3 나노미터 크기로 흡착한 후 홀전도체를 나노기공 안으로 완벽하게 스며들게 하여 고효율의 고체형 소자를 제작하는데 성공하였다.
특히 500 시간의 장기안정 테스트에서 제작된 고체형 염료감응 태양전지는 특별한 보호막 (encapsulation)을 사용하지 않은 상태에서도 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다. 

2. 연구 결과

(1) 고체형 염료감응 태양전지 제작:
그림 1에서와 같이 식각된 투명전도성 기판에 20 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자를 스크린 인쇄 또는 필름캐스팅 방법을 이용하여 약 0.6-1.5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료를 상온에서 스핀코팅법을 이용하여 이산화티타늄 입자 표면에 2-3 나노미터의 양자크기로 흡착한 후 spiro-MeOTAD 홀전도체를 적층하고 골드전극을 증착하여 제작하였다. 

그림 1. (a) 반도체 양자점 감응 고체 염료감응 태양전지 소자, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진

(2) 페로브스카이트 무기염료의 광흡수 특성:
이산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 페로브스카이트 무기염료는 분광학 분석기법을 이용하여 연구한 결과 밴드갭이 1.5 전자볼트로 가시광 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 구조를 가짐을 확인하였으며, 이산화티타늄과 홀전도체로 전자와 정공이 효과적으로 분리될 수 있도록 전도띠 (conduction band) 와 가전자띠 (valence band) 에너지를 가지고 있음도 확인하였다.

그림 2. 페로브스카이트 무기염료 (CH3NH3)PbI3 의 (a) 확산반사 분광스펙트럼, (b) Kubelka-Munk 형태로 전환한 스펙트럼, (c) (c) 자외선 광전자 스펙트럼 및 (d) 에너지 준위.


(3) 광전변화 특성:
그림 3에서와 같이 솔라시뮬레이터를 이용 표준조건에서 광전류 및 전압 곡선을 얻었으며, 0.6 마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름을 이용하여 광전류 17.6 mA/cm2 및 광전압 888 mV 성능의 효율 9.7%를 확인하였다.
파장에 따른 양자수율을 측정한 결과 300에서 800 나노미터 파장의 빛을 효율적으로 전자로 변환하는 것을 확인하였으며 빛 세기에 따른 실험에서 전하분리가 효율적으로 된다는 사실도 확인하였다.
특히 서브마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름에서 9.7% 효율은 세계최고 수준으로 평가되었다.     

그림 3. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛세기에 따른 광전류 상관관계


(4) 이산화티타늄 필름 두께에 따른 광전변환 특성:
그림 4는 이산화티타늄 두께에 따른 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 광전변환 특성을 보여주고 있다. 약 1 마이크로미터 이하의 두께에서는 평균 8% 이상의 효율을 가지며 1 마이크로미터 이상에서는 광전압의 감소로 인하여 효율이 7% 수준으로 감소함을 알 수 있다.
특히 1 마이크로 이하의 서브마이크로미터에서 효율이 증가함을 알 수 있으며 0.6 마이크로미터에서는 9% 이상의 고효율이 확인되었다. 

그림4. 이산화티타늄 필름두께에 따른 (a) 광전류, (b) 광전압, (c) 충진계수 (fill factor) 및 (d) 효율


(5) 펨토초 순간흡수 분광법을 이용한 효율적 전하분리 확인:
페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 빛 조사 하에서 페로브스카이트 무기염료에서 발생된 전하 (전자와 정공)가 어떻게 분리되는가를 알기 위해 펨토초 (1015분의 1) 순간흡수 분광스펙트럼을 연구한 결과 1 나노초 이내에서 여기된 페로브스카이트가 재생되며, 산화된 페로브스카이는 매우 빠른 속도로 홀전도체에 의하여 환원됨을 확인하였다.

그림 5. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료의 펨토초 순간흡수 스펙트럼 (a) (CH3NH3)PbI3/Al2O3 (b) (CH3NH3)PbI3/TiO2, (c) Spiro/(CH3NH3)PbI3/Al2O3 및 (d) Spiro/(CH3NH3)PbI3/TiO2.

(6) 장기안정성: 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 장기안정성을 조사한 결과 따로 보호막을 사용하지 않고도 500 시간동안 효율이 안정적으로 유기되는 것을 확인하였다 (그림 6)

그림6. (CH3NH3)PbI3 유무기하이브리드 반도체 염료 기반 고체형 박막태양전지의 장기안정성 테스트 결과

 

 용  어  설  명

유무기하이브리드반도체
유기물(탄소와 수소로 이루어진 물질)과 무기물(탄소, 수소 이외 원소로 이루어진 물질, 탄소 수소도 포함될 수 있음)이 복합된 반도체. 반도체는 일반적으로 무기물로만 구성 된다.

서브마이크로미터
1 마이크로미터 이하의 두께. 1 마이크로미터는 100만분의1 미터

흡광계수
빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수. 흡광계수가 높을수록 박막화가 가능

spiro-MeOTAD
홀전도체 물질로서 정확한 분자명칭은  2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)- 9,9'-spirobifluorene.

IPCE (incident photon-to-electron conversion efficiency)
파장에 따른 광자를 전자로 변환하는 양자효율.

페로브스카이트
ABO3 또는 ABX3 화학식을 갖는 결정. A 양이온은 산소 (O) 또는 할로겐원소 (X)와 12 배위를 하고 B 양이온은 6배위를 하는 결정구조.

양자점 감응 염료감응 태양전지 (Quantum Dot Sensitized Solar Cell)
유기염료(색소)를 대신 나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 양자점 광흡수체는 전해질에 취약하기 때문에 액체전해질 대신 spiro-MeOTAD와 같은 홀전도체를 이용할 경우 안정성 문제를 해결할 수 있다.      

양자점
나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정

광전변환 효율 
햇빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산함. 기존 반도체염료감응형 태양전지는 최대 5~6%의 효율을 나타냄

차세대 박막 태양전지
염료감응형 태양전지(염료 이용), 유기박막 태양전지(유기고분자와 풀러렌 이용) 등

표준 태양광조건
태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1㎠당 100 조건(1태양조건) 

 

<박남규 교수>(교신저자)

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학부 교수

2. 학력
  ○ 1988 : 서울대학교  학사 (화학교육)
  ○ 1992 : 서울대학교 석사 (무기화학)
  ○ 1995 : 서울대학교 박사 (무기고체화학)
 
3. 경력사항
○ 1996 ~ 1997 : 프랑스 ICMCB-CNRS, Postdoc Fellow
○ 1997 ~ 1999 : National Renewable Energy Lab (NREL), Postdoc Fellow
○ 2000 ~ 2005 : 한국전자통신연구원, 책임연구원
○ 2005 ~ 2009 : 한국과학기술연구원 (KIST), 태양전지연구센터장
○ 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학공학부, 교수
○ 2010 ~ 현재 : 교과부 연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자

4. 수상실적
  ○ 이달의과학기술자상 (2008년, 교육과학기술부)
  ○ 경향전기에너지 국무총리상 (2008년, 경향신문)
  ○ 듀폰과학기술상 (2010년, 듀폰코리아)

5. 주요연구업적
1. "Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%", Nature Scientific Reports, 2012 (DOI: 10.1038/srep00591)
2. "Effects of Oxidation State and Crystallinity of Tungsten Oxide Interlayer on Photovoltaic Property in Bulk Hetero-Junction Solar Cell", J. Phys. Chem. C, 116, 13486 (2012)
3. "Improvement of mass transport of the [Co(bpy)3]II/III redox couple by controlling nanostructure of TiO2 films in dye-sensitized solar cells", Chem. Commun., 47, 12637 (2011)
* Detailed publication list can be found at http://ngplab.skku.edu

 

posted by 글쓴이 과학이야기

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일반적으로 염료감응형 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄 나노입자들 간의 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공구조를 형성하고 있습니다.

이는 나노입자 간의 전자 전달 효율이 낮추는 원인으로, 전체 태양광에너지 변환효율 향상을 위해 해결해야 할 문제 중 하나입니다.

이 같은 문제 해결을 위해 그동안 광전극 내 타이타늄 배향성을 증가시키거나, 나노선 또는 나노크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하고자하는 연구들이 시도됐지만, 이러한 구조 자체가 불안정하고 큰 면적에 적용하기 어려운 한계가 있었습니다.

■ 건국대 글로컬캠퍼스 응용화학과 이재준 교수팀이 전도성이 높은 탄소계 나노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료감응형 태양전지(DSSC)의 광변환 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했습니다.


연구팀은 차세대 태양전지 가운데 가장 유망한 염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)의 효율 향상을 위해 광전극에 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)를 적용해 염료감응형 태양전지의 개방전압 감소를 최소화함으로써 광변환 효율을 최대 6~7 % 정도 증가시켰습니다.
 
염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로 기존의 실리콘 태양전지보다 경제적이며 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지입니다.

이번 연구는 연료감응형 태양전지에서 아직 규명되지 않은 탄소나노튜브의 영향을 체계적으로 분석해 이론적으로 해석했을 뿐 아니라 이를 실험적으로 구현해 증명한 첫 연구입니다.

■ 연구팀은 이번 연구에서 광전극의 메조 다공구조를 유지한 채 고전하 전도성 특성을 가지는 대표적인 탄소계 나노물질인 CNT를 도입함으로써 공정상의 어려움이라는 근본적 문제를 피하고, CNT의 고전도성을 활용함으로써 태양전지의 전하포집 효율이 증가되는 기술을 개발했습니다.

이 교수팀은 특히 계면에서의 전자전달 특성 변화 원인 규명에 대한 실험적, 이론적 연구결과를 설명하고, CNT를 첨가할 때 발생하는 개방전압의 감소를 최소화 할 수 있는 광전극 구조에 대한 연구 결과를 제시했습니다. 

일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자포집효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만, 대부분의 경우 개방전압의 급격한 감소로 인해 실질적인 태양전지 효율의 향상을 이끌어 내지 못했습니다.

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

이번 연구에서 제안하는 광전극 나노구조를 활용할 경우 CNT를 사용하지 않았을 때에 비해 6~7 % 정도 광효율이 증가하는 것으로 나타났습니다.

특히 일반적인 염료감응형 태양전지보다 수 마이크로미터 이하의 훨씬 얇은 박막상태인 광전극에 적용할 경우 그 효과가 극대화되기 때문에 향후 저온소성 공정을 필요로 하는 유연기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 기대되고 있습니다.


■ 이 교수는 향후 그래핀을 적용하는 방법과 저온소성기반 염료감응형 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 방안 등 다양한 연구를 구상 중입니다.

또 비액체형 전해질이 도입된 유연성 염료감응형 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반기술의 개발과 관련된 후속연구들을 진행 중입니다.

이번 연구결과는 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)가 출간하는 SCI 급 국제 학술지인 PCCP(Physical Chemistry Chemical Physics) 2012년도 제 14호 표지논문으로 선정됐습니다.
(논문명 :  patial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells)

<연구논문 영문 요약분>

Spatial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells               
 
Abstract
Three electrode structures with different spatial arrangements of carbon nanotubes (CNTs) in the mesoporous TiO2 layer were employed in dye-sensitized solar cells to study the effect of surface states at the interface formed by the incorporation of CNTs. It was found that the decay of open circuit voltage (Voc) was significantly minimized by avoiding the direct contact of nanotubes to the conducting substrate by introducing a thin buffer layer of TiO2 while maintaining the superior electron collection efficiency from the incorporation of nanotubes.


<이재준 교수>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 건국대학교 글로컬캠퍼스 응용화학과            
    

2. 학력
  1986-1990  서울대학교 이학사 (화학)
  1990-1993  서울대학교 이학석사 (화학)
  1995-2001 Case Western Reserve University 이학박사 (전기화학)
     
3. 경력사항

2008 ~ 현재
 건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 부교수
 / 건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수
 / 건국대-프라운호퍼 차세대 태양전지 연구소  부소장 (2008.12.1~)
(Vice Director, KonkukUniversityMAT-FraunhoferISE Next Generation Solar CellResearchCenter(KFnSC))
2004 ~ 2007 
 건국대학교 자연과학대학 응용화학과 (나노화학/전기화학 전공) 조교수
 건국대학교 신기술융합학과 (대학원) 겸임교수

2000 ~ 2004 
  Post Doctoral Scholar (박사후 연구원),
  Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, Pasadena, California (캘리포니아 공과대학)

2012-  한국전기화학회 태양전지분과회장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31)
2012-  한국전기화학회 학술위원장  (2012.1.1 ~ 2013.12.31)
2012-  대한화학회 전기화학분과 총무간사  (2012.1.1 ~ 2012.12.31)
2011-  충청권 태양광 테스트베드 운영위원 (2011.8. ~ )


posted by 글쓴이 과학이야기

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이화여대 김동하 교수와 장윤희 박사과정생(제1저자) 연구팀이 전기가 잘 통하는 탄소를 나노크기로 만들어 결합한 하이브리드 탄소나노소재로 차세대 연료감응형 태양전지의 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했습니다.

연구팀은 분자량 10만 이상의 고분자로 직접 제조한 하이브리드 탄소나노소재를 염료감응형 태양전지에 도입해 효율을 높였습니다.

염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로, 기존 상용화된 실리콘 태양전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이며 투명하게 만들 수 있어, 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지입니다.

현재 전 세계 연구자들은 염료감응형 태양전지의 효율을 높이고 상용화하고자 집중적으로 연구하고 있습니다.

연구팀이 개발한 염료감응형 태양전지는 하이브리드 탄소나노소재를 전지의 한쪽 전극(광전극)에 붙여 전기를 잘 통하게 하면서도 경계면의 저항을 최소화해 기존 전지 효율보다 최대 40% 이상 향상됐습니다.
  
또 연구팀이 제조한 하이브리드 탄소나노소재는 고분자를 기반으로 해 비교적 쉽게 만들 수 있어, 태양전지를 포함한 다양한 에너지 소자의 전극물질로 다양하게 활용될 수 있습니다.  

이중블록공중합체의 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막의 (a) SEM 및 (b) AFM사진

 

이번 연구결과는 'Nano Letters'지 온라인 속보(12월 12일자)에 소개됐고, 내년 1월호에 게재될 예정입니다. 
(논문명: An Unconventional Route to High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells via Embedding Graphitic Thin Films into TiO2 Nanoparticle Photoanode)

(a) 이중블록공중합체의 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 나노소재의 전도성을 평가한 순환 전압 전류(cyclic voltammetry, CV) 분석 그래프(초록)이다. 대조군으로 유리상 탄소 전극(glassy carbon electrode, 검정)과 P25 TiO2(상용화된 TiO2 나노입자, 빨강)의 CV 그래프와 직접 탄소화 기법에 의해 제조된 순수 탄소의 CV 그래프(파랑)를 나타내었으며, 직접 탄소화 기법으로 제조된 탄소의 경우 가장 많은 전류가 흐르고 있음을 알 수 있으며, 하이브리드 탄소/TiO2의 경우에는 TiO2의 낮은 전도성 때문에 순수한 탄소에 비하여 낮은 전류가 흐르는 것으로 판단된다. (b~d) 여기된 전자의 이동을 분석하기 위해서 전기화학적 임피던스 분석(electron impedance spectroscopy, EIS)을 하였다.
(b)는 등가회로(equivalent circuit)를 나타내며, (c)는 Nyquist plot으로 탄소/TiO2 박막이 도입된 염료감응형 태양전지의 경우에는 도입되지 않은 태양전지보다 저항이 작은 것을 알 수 있다.
(d)는 전자의 life time을 알 수 있는 Bode phase plot 이다. 그래프로부터 탄소/TiO2 박막이 도입된 염료감응형 태양전지에서 여기된 전자의 life time이 긴 것을 확인 하였으며, 탄소/TiO2 박막이 도입된 형태에 따라 차이가 있음을 알 수 있는데, TiO2 나노입자의 아래쪽과 위쪽에 모두 도입된 경우(초록)에 가장 낮은 저항과 가장 긴 life time을 나타낸 것을 확인 할 수 있다.


 용  어  설  명

블록공중합체의 자기조립 (block copolymer self-assembly) :
블록공중합체는 화학적으로 성분이 다른 두 가지 이상의 고분자가 사슬 한쪽 끝을 통하여 공유결합으로 연결된 특이한 유형의 고분자이다.
이러한 고분자는 자기 조립을 함으로써 나노 크기 수준에서 구(sphere), 실린더(cylinder), 자이로이드(gyroid), 라멜라(lamellae)를 포함한 다양한 형태의 주기적인 구조를 발현하는 특징을 가진다.
또한, 한 쪽 블록에만 선택적으로 무기물을 결합시킴으로써 유-무기 하이브리드 구조체를 제조할 수 있는 주형(template)의 역할을 할 수 있다.  

직접 탄소화 기법 (direct carbonization) :
별도의 탄소 전구체를 필요로 하지 않고, 직접 탄소화기법에 의해 고분자를 탄소질의 물질로 전환할 수 있는 기법이다. 자외선 조사를 통한 고분자의 가교(cross-linking)를 유도하고, 열처리함으로써 탄소질의 물질로 전환될 수 있으며, 블록공중합체의 자기조립 현상에서 비롯된 규칙적이고 질서도가 높은 하이브리드 탄소 나노소재의 제조 및 제어가 가능하다.   

 <연 구 개 요>

염료감응형 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비교하여 높은 광전환 효율을 보일 뿐 아니라, 상대적으로 제작이 간단하며, 경제적인 차세대 태양전지이다.
염료감응형 태양전지의 효율향상 및 상용화를 촉진하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있으며, 대표적으로는 1) 가시광 영역뿐만 아니라 적외선 영역을 포함한 전 파장대의 빛을 흡수할 수 있는 염료; 2) 염료의 흡착 및 전자의 주입을 최대화하기 위한 산화물 반도체(특히, 이산화티타늄(TiO2))의 구조 제어; 3) 안정적이고 효과적인 환원을 유도하는 산화-환원 전해질; 4) 고가의 백금 전극을 대체하기 위한 연구 등이 활발하게 이루어지고 있다.
최근에는 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서 금 또는 은과 같은 금속 나노입자, 광결정(photonic crystal)과 같이 주기구조를 갖는 물질 및 탄소 소재와 같은 새로운 물질을 첨가하는 형태의 연구가 주목을 받고 있다. 특히, 높은 전기전도도(electrical conductivity)를 갖는 탄소나노튜브(carbon nanotubes), 탄소나노섬유(carbon nanofibers) 및 그래핀(graphene)과 같은 다양한 탄소소재를 태양전지에 도입하게 되면, 전자의 이동(transport) 및 수집(collection)을 용이하게 함으로써 태양전지 효율 향상에 도움을 줄 수 있기 때문에, 많은 연구가 이루어지고 있다. 하지만 아직까지는 탄소소재와 이산화티타늄(TiO2) 계면에서의 전자의 이동 및 수집에 대한 영향을 분명하게 이해하고, 보고한 연구는 미비하다. 

본 연구팀은 탄소/TiO2 하이브리드 박막(hybrid thin film)을 이중블록공중합체(diblock copolymer)를 이용하여 제조하였고, 이를 염료감응형 태양전지의 광전극에 도입하여 효율 향상을 유도하였으며, 그 기구를 제시하였다.

a) 이중블록공중합체(PS-b-P4VP)를 이용한 탄소/TiO2 하이브리드 박막 제조의 모식도; b) 탄소/TiO2 하이브리드 박막이 도입된 염료감응형 태양전지의 모식도


탄소질 생성을 위하여 별도의 전구체나 활성화 촉매를 사용하지 않고도, 자기조립 이중블록공중합체의 자외선 조사를 통한 안정화(UV stabilization) 및 열처리를 통한 직접 탄소화(direct carbonization)를 통해 용이하고 경제적으로 탄소질의 박막을 제조할 수 있으며, 이중블록공중합체의 한 블록에만 특정 무기물이 특이적으로 결합할 수 있는 특성을 이용하여 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 제조할 수 있었다.(그림 a)

이중블록공중합체의 안정화 및 직접 탄소화에 의해 제조된 탄소/TiO2 하이브리드 박막을 염료감응형 태양전지의 구성요소인 광전극에 도입하여(그림 1,b), 염료 감응형 태양전지의 광전환 효율을 최대 40%까지 향상시키는데 성공하였다(그림2). 

전류밀도-전압(photocurren-voltage) 그래프


이는 본 연구팀에 의해 개발된 기법으로 제조된 하이브리드 탄소/TiO2 박막이 높은 전기 전도성을 갖는 탄소를 포함하고 있으며, TiO2 나노입자 및 투명전극(FTO)과 탄소/TiO2 박막 사이의 계면에서의 저항을 감소시킴으로써, 여기(excitation)된 전자의 전달을 촉진시켜 염료감응형 태양전지의 광전환 효율을 향상 시키는데 큰 역할을 한 것으로 판단된다. 

본 연구에서 제안된 탄소/TiO2 하이브리드 박막의 제조기법은 이중블록공중합체를 이용한 용이하고 경제적인 기법이며, 이중블록공중합체의 자기조립 성질을 조절하면 다양한 구조 및 조성을 갖는 하이브리드 나노구조체를 제조할 수 있다.
특히, 하이브리드 탄소나노소재의 제조기술은 염료감응형 태양전지의 광전극 뿐 아니라, 연료전지 및 배터리의 핵심 구성요소인 전극소재 및 친환경 가시광 활성 촉매 분야 등에 광범위하게 적용이 가능할 것으로 기대된다. 


<김동하 교수> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과

2. 학력
  ○ 1991 : 서울대학교 학사 (섬유공학)
  ○ 1996 : 서울대학교 석사 (섬유고분자공학)
  ○ 2000 : 서울대학교 박사 (섬유고분자공학)
 
3. 경력사항
○ 2000 ~ 2003 : 미국 메사츄세츠 대학 고분자공학과, Post-Doctor.
○ 2003 ~ 2005 : 독일 막스플랑크 고분자 연구소, Post-Doctor.
○ 2005 ~ 2006 : 삼성전자 반도체 총괄 메모리 사업부, 책임연구원
○ 2006 ~ 2009 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 조교수
○ 2010 ~ 현재 : 이화여자대학교 화학나노과학과, 부교수

4. 주요연구업적
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Yoon Hee Jang, Won Jun Lee, Min-Ah Cha, Hae-Young Shin, Seok Hyun Yoon, Sang Soo Lee, Sang Ouk Kim, Kwanwoo Shin, Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Visible-Light Active Nanohybrid TiO2/Carbon Photocatalysts with Programmed Morphology by Direct Carbonization of Block Copolymer Templates", Green Chem. 2011, 13(12), 3397-3405.
3. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
4. Dongxiang Li, Yu Jin Jang, Ji-Eun Lee, Jieun Lee, Saji Thomas Kochuveedu, Dong Ha Kim,* "Grafting Poly(4-vinylpyridine) onto Gold Nanorods toward Functional Plasmonic Core-Shell Nanostructures", J. Mater. Chem. 2011, 21(41), 16453-16460. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 24(17)
5. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Cheolmin Park, Dong Ha Kim,* "Controlling the Composition of Plasmonic Nanoparticle Arrays via Galvanic Displacement Reaction on Block Copolymer Nanotemplates", Chem. Commun. 2011, 47(6), 1782-1784. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2011, 23(6), February 14
6. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
7. Yu Jin Jang, Dong Ha Kim,* "One-Step and Self-Assembly Based Fabrication of Pt/TiO2 Nanohybrid Photocatalysts with Programmed Nanopatterns", Chem-Eur. J. 2011, 17(2), 540-545.
8. Ji Yong Lee, Jieun Lee, Yu Jin Jang, Juyon Lee, Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Sang Soo Lee, Dong Ha Kim,* "Plasmonic nano-necklace arrays via reconstruction of diblock copolymer inverse micelle nanotemplates", Soft Matter 2011, 7(1), 57-60. Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology 2010, 22(26), December 20
9. Yong Wang,* Michael Becker, Li Wang, Jinquan Liu, Roland Scholz, Juan Peng, Ulrich G?sele, Silke Christiansen, Dong Ha Kim,* Martin Steinhart,* "Nanostructured Gold Films for SERS by Block Copolymer-Templated Galvanic Displacement Reactions", Nano Lett. 2009, 9(6), 2384-2389.
10. King Hang Aaron Lau, Joona Bang, Dong Ha Kim,* Wolfgang Knoll,* "Self-Assembly Based Protein Nanoarrays on Block Copolymer Templates", Adv. Funct. Mater. 2008, 18(20), 3148-3157.

<장윤희 박사과정생> 

1. 인적사항 
 ○ 소 속 : 이화여자대학교 화학나노과학과
 
2. 학력
  ○ 2008 : 국민대학교 학사 (화학)
  ○ 2010 : 이화여자대학교 석사 (나노소재과학)
  ○ 2010~ 현재 : 이화여자대학교 박사과정 (나노소재과학)
 
3. 주요연구내용
1. Yu Jin Jang,‡Yoon Hee Jang,‡Martin Steinhart,* Dong Ha Kim,* "Carbon/Metal Nanotubes with Tailored Order and Configuration by Direct Carbonization of Inverse Block Copolymer Micelles Inside Nanoporous Alumina", Chem. Commun. 2012, 48(4), 507-509. Back cover article
2. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Yu Jin Jang, Martin Steinhart, Dong Ha Kim,* "The fabrication of graphitic thin films with highly dispersed noble metal nanoparticles by direct carbonization of block copolymer inverse micelle templates", Carbon 2011, 49(6), 2120-2126.
3. Yoon Hee Jang, Seung Yoon Yang, Yu Jin Jang, Cheolmin Park, Jin Kon Kim, Dong Ha Kim,* "Ultra-high Density Arrays of Toroidal ZnO Nanostructures by One-Step Cooperative Self-Assembly Processes: Mechanism of Structural Evolution and Hybridization with Au Nanoparticles", Chem-Eur. J. 2011, 17(7), 2068-2076. Frontispiece article
4. Yoon Hee Jang, Saji Thomas Kochuveedu, Min-Ah Cha, Yu Jin Jang, Ji Yong Lee, Jieun Lee, Juyon Lee, Jooyong Kim, Du Yeol Ryu, Dong Ha Kim,* "Synthesis and Photocatalytic Properties of Hierarchical Metal Nanoparticles/ZnO Thin Films Hetero Nanostructures Assisted by Diblock Copolymer Inverse Micellar Nanotemplates", J. Colloid Interf. Sci. 2010, 345(1), 125-130.


posted by 글쓴이 과학이야기

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