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  1. 2012.03.21 탄소나노 소재로 차세대 태양전지 효율 높인다

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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