나노패턴기술로 태양전지 효율 높여

나노패턴기술로 태양전지 효율 높여

투과되는 빛까지 반사시켜 수확

나노패턴기술을 이용, 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 차세대 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 가능성을 열었다. 광전변환 효율이란 빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산할 수 있다.

교육과학기술부는 연세대 김은경·김종학 교수팀이 '나노 패터닝(Nano patterning)' 기술로 기존보다 전류생산량을 40% 높인 태양전지를 개발했다고 19일 밝혔다.

차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재, 사용목적 및 효율에 따라 많은 기술로 세분화되는데, 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다.

염료감응형 태양전지는 광합성 원리를 응용한 태양전지다. 식물이 광합성을 할 때 엽록소를 흡수해 에너지를 사용하듯 염료가 빛을 흡수해 전류를 만든다. 염료감응형 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 제작이 간단해 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물 유리창에도 이용할 수 있다.

염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체전해질을 주로 사용하는데, 액체전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발해, 고체전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행됐다.

▲ 나노패턴이 형성된 광전극 제조 방법. (a) 나노스탬프의 전자현미경 사진 및 실제 사진 (b) TiO2 계면 코팅 (c) 산성 TiO2 페이스트를 이용한 TiO2 층 제조. (d) 중성 TiO2 페이스트를 코팅. (e-g) 나노스탬프를 이용한 패터닝 공정.

빛 수확기술(Light Harvesting)은 태양 빛을 흡수해 전기로 바꿀 때 일정한 면적에서 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하고 이용해 더 많은 전기를 생산하는 태양전지의 효율 증대를 위한 핵심기술이다. 빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발돼 효과가 입증되었지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.

연구팀은 염료감응형 태양전지가 더 많은 빛을 손실 없이 흡수하도록 매우 작게 패터닝한 광전극을 만들어 빛의 변환 효율을 극대화했다.

나노입자 패터닝을 통해 광학적 특성을 변화시킴으로써 빛의 반사로 새나가는 빛까지도 흡수, 보다 많은 양의 빛을 수확할 수 있게 된 것이다. 특히 이번 빛 수확용 광전극은 기존의 염료감응형 태양전지보다 전류생산량을 40% 증대시켰다.

연구팀은 이 기술에 대해 "고가의 장비가 필요한 공정에 비해 매우 간단하고 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있다"며 "패터닝 스탬프를 여러 번 재사용할 수 있어 경제적이고 대량생산이 가능하다"고 설명했다.

김은경 교수는 “이번 연구는 나노패터닝이 광학적 특성을 변화시켜 빛의 반사를 통해 새어나가는 빛까지도 흡수해 상당히 많은 양의 빛을 수확할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 또한 무기나노입자를 직접 패터닝해 처음으로 효과적인 빛 수확용 전도성 고분자 기반 광전극을 개발했다는데 큰 의미가 있다”고 연구의의를 밝혔다.

김종학 교수는 “이번에 개발된 요오드 없는 태양전지에 나노패터닝 기술을 이용해 미래에너지인 태양전지뿐만 아니라 다양한 전자소자에도 활용할 수 있어 아직 해결되지 않은 기술들을 해결할 수 있는 기반을 마련했다”고 덧붙였다.

이번 연구성과는 응용화학 분야의 권위 있는 학술지 '앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Ed, 인용지수=13.455)' 9일자 최신호에 속표지 논문으로 게재됐다.

▲ (a) 제조된 태양전지 구조. (b-c) 중성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착실험. (d-e) 산성 페이스트로 만든 TiO2 광전극의 염료흡착. (f-h) 광전극의 나노구멍에 전도성 고분자 투입. (i) 대면적 전극 위에 나노패턴 생성 후 바로 찍은 사진. (j) 고온에서 열처리 한 후 만든 광전극. (k-l) 염료가 흡착된 빛 반사특성을 가지는 대면적 광전극.

사이언스타임즈 저작권자 2012.07.20 ⓒ ScienceTimes