국내 연구진이 염료감응 태양전지 상대전극용 그래핀 합성 기술 개발에 성공함에 따라 향후 고효율 염료감응 태양전지 개발에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

* 상대전극 : 염료감응 태양전지에서 산화된 염료를 환원시키는데 사용된 전해질을 환원시키는 촉매 역할을 하는 전극

* 그래핀 : 탄소 평면이 층으로 쌓여있는 다층의 흑연을 한 층으로 떼어낸 것. 전기전도도, 열전도도가 우수하며, 강도 또한 강해 꿈의 소재로 주목됨.

미래창조과학부 ‘신기술융합형 성장동력사업’의 지원으로 고려대 김환규 교수팀(제1저자 주명종 박사)이 주도하고 건국대 의료생명대학 이재준 교수(의생명화학과)팀과 UNIST 백종범 교수가 참여한 이번 연구는 질소가 도핑된 그래핀을 대량생산하는 기술을 개발하고 이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 활용하여 저비용으로 고효율 염료감응 태양전지를 구현한 것이다.

기존에 연구되고 있는 백금 상대전극은 제조비용이 비싸고 염료감응 태양전지용 전해질과의 산화환원 반응 과정에서 부식이 되는 단점이 있어, 고효율·안정성이 확보된 태양전지를 제작하는데 한계를 보여 왔다.

이번에 개발된 질소가 도핑된 그래핀 상대전극은 백금 상대전극보다 촉매 특성 및 전기화학적 안정성이 매우 우수하고, 금속을 사용하지 않아 친환경적이다. 또 부식의 위험이 없으며, 값싼 흑연을 이용하고 제조공정이 단순하므로 저가 대량생산이 가능한 장점이 있어 기존의 백금전극을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 흑연의 가장자리에 선택적으로 아미노기를 도입한 후 열처리하여 질소가 도핑된 그래핀을 제조했다. 이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 사용한 결과, 그래핀 기반 염료감응 태양전지 분야에서 세계 최고 광변환 효율인 9.3%을 얻었다. 이번 연구 성과는 나노기술 및 재료 분야의 권위지인 ACS 나노(ACS Nano) 6월호에 게재되었다.

* 아미노기(-NH2) : 질소(N)원자에 두 개의 수소(H)가 결합된 유기물 작용기

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

이재준 건국대 교수는 “이번 연구는 고려대의 고효율 유기염료 기술과 UNIST의 질소 도핑 고성능 그래핀의 합성 기술에 기반을 두어 건국대의 전계방사법을 통한 고성능 염료감응형 태양전지용 상대전극의 제작 기술이 동시에 적용된 대표적인 ‘융합형 공동연구'의 성공사례로 볼 수 있다”며 “이번 연구 성과를 토대로 염료감응형 태양전지를 간단하고 친환경적이며 경제적으로 대량생산할 수 있게 되어, 염료감응형 태양전지의 조기상업화 기반구축에도 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.

또, “이번 연구는 국내 각 연구진이 각자의 특화 영역을 융합하는 공동연구 성공사례로서 앞으로 더 큰 연구 성과를 위한 연구방향을 제시해 준다고도 볼 수 있을 것”이라고 덧붙였다.