백금 사용하지 않는 투명 염료감응형 태양전지 신기술 개발

KERI 이동윤 박사팀, 탄소나노튜브 마이크로볼로 값비싼 백금 대체 건물일체형 태양전지 개발 등에 적용


상대전극으로 사용되는 고가의 백금을 대체해 건물일체형 태양전지 등에 적용할 수 있는 염료감응형 태양전지 신기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

한국전기연구원(KERIㆍ원장 유태환 www.keri.re.kr) 재료응용연구본부 이동윤 박사팀은 최근 백금을 사용하지 않은 투명 염료감응형 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다. 건물의 창문 등에 부착하는 건물일체형 태양전지(BIPV, building integrated photovoltaic) 개발에 한층 탄력이 가해질 전망이다.

염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell)은 식물의 광합성 작용을 모방해 태양빛을 에너지로 변환하는 태양전지의 일종이다. 기존의 실리콘 태양전지에 비해 적은 빛으로도 고효율의 에너지 변환이 가능하고, 비싼 반도체 소재(Si, 화합물 반도체) 혹은 독성 물질 (카드뮴 등)이 포함되지 않아서 차세대 태양전지로 최근 각광받고 있다. 특히 염료감응형 태양전지는 사물을 구별할 수 있는 반투명한 상태로 제조할 수 있기 때문에 건물의 창문 등에 부착하는 건물일체형 태양전지(BIPV)로도 각광받고 있다.

염료감응형 태양전지는 작동 전극(working electrode), 전해질(electrolyte), 상대전극(counter electrode)으로 구성돼 있다. 일반적으로 상대전극으로 사용하는 백금은 전기화학 분야(연료전지 등)에서도 폭넓게 사용되고 있으나 가격이 비싸고 지구상에 잔존하는 양에 한계가 있어 이를 다른 재료로 대체하고자 하는 연구가 계속되고 있다.

염료감응형 태양전지에서도 백금을 탄소나노튜브(CNT)로 대체하는 기술을 개발한 바가 있지만, 기존의 탄소나노튜브를 이용한 태양전지는 창문형 태양전지 등에 꼭 필요한 투명한 상대전극을 제조할 수 없어 다양한 응용에 한계가 있었다.

KERI 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 탄소나노튜브를 마이크로미터 수준의 작은 공 모양으로 뭉쳐서 기판에 도포함으로써, 투명하면서도 백금과 비슷한 수준의 효율을 얻을 수 있는 기술을 개발하는데 성공했다.


△탄소나노튜브 마이크로 볼을 이용한 투명 상대전극

KERI 이동윤 박사는 “이번 기술 개발은 얇아야 투명하다는 고정관념을 깨고, 탄소나노튜브를 마이크로볼로 뭉쳐서 그 사이로 빛을 통과시키는 발상전환으로 가능했다”며 “기존 탄소나노튜브 상대전극이 갖는 가장 큰 단점을 극복함으로써 실질적으로 백금을 대체할 수 있는 가능성을 극대화했다.”고 설명했다.

한편, 이번에 개발된 결과는 재료분야 유력 저널인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리(Journal of Materials Chemistry)’의 인터넷 판에 게재되었으며, 네이처지를 출판하는 네이처 퍼블리싱그룹(NPG)에서 운영하는 아시아 머티리얼즈(Asia Materials)지에도 최근 연구뉴스 하일라이트(Research Highlight)로 소개되는 등 과학계의 주목을 끌고 있다.


한국전기연구원