김환규 교수, 염료감응 태양전지용 고성능 그래핀 상대전극 개발

염료감응태양전지의 구조.

아주경제 이한선 기자= 미래창조과학부는 고려대학교 세종캠퍼스 김환규 교수팀이 염료감응 태양전지 상대전극용 그래핀 합성 기술 개발에 성공해 고효율 염료감응 태양전지 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다고 17일 밝혔다.

연구성과는 나노기술 및 재료 분야의 권위지인 ACS 나노 6월호에 게재됐다.

상대전극은 염료감응태양전지에서 산화된 염료를 환원시키는데 사용된 전해질을 환원시키는 촉매 역할을 하는 전극으로 그래핀은 탄소 평면이 층으로 쌓여있는 다층의 흑연을 한 층으로 떼어낸 것을 말한다.

그래핀은 전기전도도, 열전도도가 우수하고 강도가 강해 꿈의 소재로 주목되고 있다.

이번 연구는 질소가 도핑된 그래핀을 대량생산할 수 있는 기술 개발 및 이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 활용한 연구로 저비용·고효율·장수명 염료감응 태양전지를 구현해 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

기존 연구에 이용되던 백금 상대전극은 제조비용이 비싸고 전해질과의 산화환원 반응 과정에서 부식이 되는 단점으로 고효율·안정성이 확보된 태양전지를 제작하는데 한계를 보여 왔다.

이번에 개발된 질소가 도핑된 그래핀 상대전극은 백금 상대전극보다 촉매 특성 및 전기화학적 안정성이 우수하고 금속을 사용하지 않아 부식의 위험이 없고 친환경적이다.

값싼 흑연을 이용하고 제조공정이 단순해 저가의 상대전극을 대량생산 할 수 있어 기존의 백금전극을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 흑연의 가장자리에 선택적으로 질소 원자에 두 개의 수소가 결합된 유기물 작용기인 아미노기를 도입한 후 열처리를 해 질소가 도핑된 그래핀을 제조했다.

이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 사용한 결과 그래핀 기반 염료감응 태양전지 분야에서 9.3%의 우수한 광변환 효율을 얻어냈다.

김환규 교수는 “이번 연구결과는 기존의 백금 상대전극의 한계를 극복할 저가의 고안정성.고효율 대체 소재를 개발한 것으로 염료감응 태양전지 조기 상용화의 기반을 마련한 것”이라고 평가했다.