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  1. 2012.04.15 염료감응 태양전지 실용화 걸림돌 해결했다

현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 상업화가 시도되고 있는 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지입니다.

염료감응 태양전지(DDSC)는 유기염료와 나노기술을 이용해 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 것으로, 가격이 저렴하고 공정도 간단해 차세대 태양전지로 주목 받고 있습니다.

이는 기존 상용화된 실리콘 전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있습니다.

그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 상업화에 큰 어려움이 따르는 실정입니다.

또 하나의 방식인 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노입자 사이로 침투되기 어려워 액체 전해질에 비해 성능이 좋지 않습니다.

이를 해결하기 위해 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원을 이용해 이어주는 연구를 진행해왔지만, 공정이 복잡하고 남아있는 가교제가 태양전지의 전기수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움이 있었습니다.

이 처럼 차세대 고효율 태양전지로 각광 받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화에 가장 큰 문제점인 액체 겔 전해질 문제가 국내 연구진에 의해 해결됐습니다.

■ 성균관대 박종혁 교수팀은 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공했습니다.

박 교수팀은 입자크기가 똑같은 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 놓고 이를 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절하여 기존의 액체나 겔 전해질의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발했습니다.

신규 겔전해질을 활용한 염료감응 태양전지의 제조 모식도

(a) PS 나노입자가 코팅된 상대전극 (b) 액체전해질이 주입된 후의 상태 (c) 겔화된 전해질을 제거한 후의 상대전극 표면 (d)액체전해질이 겔화된 상대전극 모습


연구팀이 개발한 고분자 나노소재를 이용한 염료감응 태양전지는 기존의 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서도 수명이 더욱 길어진 것이 특징을 갖고 있습니다.

현재 국내외 특허 출원이 완료된 이번 연구결과는 향후 염료감응 태양전지 분야의 핵심기술이 될 전망입니다.

이번 연구는 성균관대 박종혁 교수가 주도하고, 이건석 석사(제1저자, LG화학기술연구원), 울산과기대 전용석 교수가 참여했습니다.

이번 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters'지 온라인 속보(4월 6일자)에 게재되었다.
(논문명: Controlled Dissolution of Polystyrene Nano-beads: Transition from Liquid Electrolyte to Gel electrolyte)

 

<연 구 개 요>

염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양광에너지를 전자의 흐름으로 만들어내어 자연현상을 모방하여 만들어진 차세대 태양전지이다.
단지 식물의 잎에서 광합성을 할 때 빛을 엽록소라는 천연염료가 흡수하는 반면, 염료감응 태양전지는 인공적으로 합성된 염료분자를 TiO2(이산화 티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.
이산화 티타늄 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물 전극에 태양빛이 조사되면 염료분자는 전자를 내놓게 되는데 이 전자가 외부 회로를 통하여 이동하면서 우리가 필요로 하는 최종적인 전기에너지를 생성한다.
전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하고 저가의 재료를 사용하기 때문에 전지의 가격이 실리콘 셀 가격의 20~30% 정도에 불과하다.
또한 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다.
염료감응 태양전지의 셀 성능이 12%이상 보고되고 있어 장기 안정성만 보장된다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 
 
최근 많은 국내외 기업들이 염료감응 태양전지의 장기 안정성 향상을 위해서 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 액체전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용하고 있다.
그동안 전해질을 겔화 시켜서 액체전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많이 있었다.
그러나 겔화된 전해질은 메조기공을 갖는 이산화 티타늄의 기공에 침투하지 못하는 특성으로 인하여 셀 성능이 기존 액체전해질 대비 떨어지는 단점이 있었다. 
  
본 연구에서는 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 위치시키고 폴리스타이렌을 선택적으로 팽윤 및 용해시킬 수 있는 액체전해질의 용매를 조절하여 기존 겔형 전해질의 단점을 극복할 수 있는 신규 전해질을 개발하였다.
초기성능은 기존 액체전해질과 거의 동일하였으며, 약 3주가 지난후의 성능을 비교하였을 때 액체전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 비해서 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다.

 

 

 용  어  설  명


염료감응 태양전지 :
염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 염료감응 태양전지라고도 하며, 산화환원 전해질로 구성되어 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.
두 개의 전극과 그 사이를 채우고 있는 전해질로 구성이 된다. 광전극이라 불리는 전극은 투명전극 위에 염료분자가 흡착된 산화 이산화 티타늄 나노입자로 구성되어 있고 상대전극이라 불리는 전극은 백금이 코팅된 투명전극으로 구성된다.

폴리스타이렌 나노입자 (Polystyrene nanoparticles) :
유화중합을 통해서 합성되며 균일한 크기를 갖는 나노입자를 의미한다.
보통 입자의 크기는 약 100 nm ~ 1000 nm 까지 조절이 가능하며 주로 광학적인 특성을 제어할 목적으로 많이 활용이 되며, 최근에는 구형 입자나 나노구조체를 합성하기 위한 형판 (型板)으로 사용된다.

겔 (Gel) 전해질 :
화장품과 같은 생활용품에도 많이 활용되는 용어로서 점성이 있는 물질을 통상적으로 지칭한다. 흐름이 전혀 없는 고체와 흐름이 자유로운 액체의 중간 형태를 지칭한다.

나노 레터스(Nano Letters)誌 :
세계적 권위의 나노분야 대표과학전문지 (인용지수 impact factor 12.186)


 

<박종혁 교수>

1. 인적사항
○ 성      명 : 박종혁 (朴宗爀, 37세)
○ 소      속 : 성균관대학교 화학공학부, 성균나노과학기술원

2. 학력사항
○ 1999년 : 연세대학교 화학공학과 (학사)
○ 2001년 : 한국과학기술원 화학공학과 (석사)
○ 2004년 : 한국과학기술원 생명화학공학과 (박사)

3. 경력사항
○ 2004년 ~ 2005년 : University of Texas at Austin, Post.doc 
○ 2005년 ~ 2007년 : LG화학기술연구원 과장
○ 2007년 ~ 2008년 : ETRI 선임연구원
○ 2008년 ~ 현재: 성균관대학교 화학공학부/SAINT 조교수, 부교수

4. 주요연구업적
○ J. H. Park, S. Kim, A. J. Bard*, "Novel carbon-doped TiO2 nanotube arrays with high aspect ratios for efficient solar water splitting" Nano Letters 6, 24 (2006).
○ D. H. Wang, D. Y. Kim, K. W. Choi, J. H. Seo, S. H. Im, J. H. Jeon, J. H. Park*, O. O. Park*, A. J. Heeger*, "Enhancement of Donor-Acceptor Polymer Bulk Heterojunction Solar Cell Power Conversion Efficiencies by Addition of Au Nanoparticles" Angew. Chem. Int. Ed., 50, 5519 (2011).
○ D. H. Wang, J. S. Moon, J. H. Seo, J. Seifter, J. Jo, O. O. Park*, A. J. Heeger*, J. H. Park*, "Efficient Solution-Processible Bilayer/Bulk-Heterojunction Solar Cells: Comparison with Bulk-Heterojunction Solar Cells" Nano Letters, 11, 3163 (2011).
○ J. K. Kim, K. Shin, S. M. Cho, T. W. Lee, J. H. Park* "Synthesis of Transparent Mesoporous Tungsten Trioxide Films with Enhanced Photoelectrochemical Response and Transparency: Application to Unassisted Solar Water Splitting" Energy & Environmental Science, 4, 1465 (2011).



 

posted by 글쓴이 과학이야기

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