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

* 상대전극 : 염료감응태양전지에서 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 주목

미래창조과학부(장관 최문기) ‘신기술융합형 성장동력사업’의 지원으로 고려대학교(세종캠퍼스) 김환규 교수팀이 주도한 이번 연구는 질소가 도핑된 그래핀을 대량생산할 수 있는 기술 개발 및 이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 활용한 연구이며 이를 통해 저비용·고효율·장수명 염료감응 태양전지를 구현, 염료감응 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 예측된다.

* 질소가 도핑된 그래핀 : 그래핀을 구성하는 탄소원자 일부가 질소원자로 치환된 상태를 의미

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

하지만 이번에 개발된 질소가 도핑된 그래핀 상대전극은 백금 상대전극보다 촉매 특성 및 전기화학적 안정성이 우수하고, 금속을 사용하지 않음에 따라 부식의 위험이 없어 친환경적이다.

동시에 값싼 흑연을 이용하며 제조공정 또한 단순함에 따라, 저가의 상대전극을 대량생산 할 수 있어 기존의 백금전극을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 흑연의 가장자리에 선택적으로 아미노기를 도입한 후 열처리를 하여 질소가 도핑된 그래핀을 제조하였다.

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

이를 염료감응 태양전지 상대전극으로 사용한 결과, 그래핀 기반 염료감응 태양전지 분야에서 우수한 광변환 효율(9.3%)을 얻어냈다.

해당 연구성과는 나노기술 및 재료 분야의 권위지인 ACS 나노(ACS Nano) 6월호에 게재되었다.(논문명 : N-Doped Graphene Nanoplatelets as Superior Metal-Free Counter Electrodes for Organic Dye-Sensitized Solar Cells)

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.