이재준 건국대학교 글로컬캠퍼스 자연과학대학 응용화학과 교수(응용화학과, 나노화학 및 광전기화학 연구실) 연구팀은 전도성이 높은 탄소계나 노물질인 탄소나노튜브(CNT)를 이용해 차세대 염료 감응형 태양전지(DSSC)의 광 변환 효율을 높일 수 있는 최적화 구조를 처음으로 규명했다. 이교수 연구팀의 이 같은 '염료 감응형 태양전지 광전극 내 탄소 나노 튜브 역할 규명 및 개방 전압 감소 최소화를 통한 태양전지 효율 향상 구조'를 제시한 논문(patial arrangement of carbon nanotubes in TiO2 photoelectrodes for high efficiency dye-sensitized solar cells)은 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에서 출간하는 SCI급 국제 학술지인《PCCP : Physical Chemistry Chemical Physics》최근호(2012년도 제14호) 표지 논문으로 선정돼 게재됐다.
이재준 교수 연구팀은 차세대 태양전지 가운데 가장 유망한 염료 감응형 태양전지(DSSC : Dye-Sensitized Solar Cell)의 효율 향상을 위해 광전극에 대표적인 고전도성 탄소계 나노 물질인 탄소 나노 튜브(CNT : Carbon Nanotube)를 적용해 염료 감응형 태양전지의 개방 전압 감소를 최소화함으로써 광 변환 효율을 최대 6~7% 증가시켰다. 일반적으로 염료 감응형 태양전지의 광전극은 이산화 타이타늄(TiO2) 나노 입자들 간 무질서한 연결을 통해 형성된 메조 다공 구조를 형성하고 있으며, 이에 따라 나노 입자 간 전자 전달 효율이 낮은 점이 전체 태양광 에너지 변환 효율 향상을 위해 해결해야 할 문제점 중 하나로 알려져 왔다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 그동안 광전극 내 TiO2 배향성을 증가시키거나, 나노선 또는 나노 크기의 튜브형 구조를 적용한 고정렬도 광전극 구조를 적용하려는 연구들이 시도됐다. 그러나 이러한 구조들 자체가 불안정하고, 큰 면적에 적용는 데 한계가 있어 실질적으로 태양전지 제작에 활용하기 어려웠다. 건국대 나노화학 및 광전기화학 연구실 이재준 교수팀은 이번 연구에서 광전극의 메조 다공 구조를 유지한 채 고전하 전도성 특성을 갖는 대표적인 탄소계 나노 물질인 CNT를 도입함으로써 공정상 어려운 근본 문제를 피할 뿐 아니라 CNT의 고전도성을 활용함으로써 태양전지의 전하 포집 효율이 증가하는 효과를 동시에 활용할 수 있는 기술을 개발했다.
박막 상태 광전극 적용, 효과 극대화 이 교수는 논문에서 특히 계면에서 전자 전달 특성 변화의 원인 규명에 대한 실험적·이론적 연구결과를 설명하고, CNT를 첨가할 때 발생하는 개방 전압 감소를 최소화할 수 있는 광전극 구조에 대한 연구 결과를 제시했다. 일반적으로 CNT를 광전극에 도입할 경우 전자 포집 효율이 40% 이상까지 크게 증가하지만, 대부분 개방 전압의 급격한 감소로 말미암아 실질적인 태양전지 효율 향상을 이끌어 내지 못하는 것으로 알려져 왔다. 그러나 이번 연구에서 CNT를 광전극 내에 도입할 경우, 형성되는 다양한 계면들에서의 계면 상태에너지 분포와 변화가 개방 전압 감소와 밀접한 상관 관계가 있음을 규명했다. 이러한 특성을 기반으로 개방 전압 감소에 직접적인 영향을 미치는 계면상태 분포를 최소화할 수 있는 광전극의 구조를 제안했다. 연구에서 제안하는 광전극 나노 구조를 활용할 경우 CNT를 사용하지 않았을 때에 비해 6~7% 광 효율이 증가했다. 이 연구는 탄소 나노 튜브를 염료 감응형 태양전지에 도입해 진행한 많은 연구에도 아직 규명되지 않던 탄소 나노 튜브의 영향을 체계적으로 분석해 이론적으로 해석했을 뿐 아니라, 이를 실험적으로 구현해 증명한 첫 연구라고 평가할 수 있다. 연구 결과는 일반적으로 약 15㎛ 이상 상당히 두꺼운 후막상태로 만들어지는 광전극과 액체 전해질을 사용하는 일반적인 염료 감응형 태양전지보다 수㎛ 이하로 훨씬 얇은 박막 상태의 광전극에 적용할 경우, 그 효과가 극대화되기에 향후 저온 소성 공정을 필요로 하는 유연 기판형 광전극 개발에 유용한 기술이 될 것으로 보인다. 한편, 이 교수 연구팀은 본 연구 결과와 예측을 기반으로 KAIST 신소재과학부 강정구 교수 연구팀과 함께 질소를 도핑한 탄소 나노 튜브를 활용함으로써 순수한 탄소 나노 튜브만을 사용했을 때에 비해 개선된 계면 특성을 활용할 경우 광전극 내 계면 상태 분포의 조절 없이도 비슷한 효율 향상의 효과를 얻을 수 있음을 보고했다. 이 논문도《PCCP지》에 최근 최종 게재 확정돼 온라인상에 출간된 상태다. 이재준 교수는 "연구 결과를 또 다른 대표 탄소계 물질인 그래핀을 도입해 적용하는 방법과 저온 소성 기반 염료 감응형 태양전지용 광전극 제작에 활용하는 다양한 연구를 구상 중이며, 또한 비액체형 전해질을 도입한 유연성 염료 감응형 태양전지 개발에 적용할 수 있는 기반 기술 개발과 관련한 후속연구들을 진행 중이다"라고 밝혔다. 현재 이 교수는 2012년 1월부터 한국전기화학회의 태양전지분과 회장직을 맡아 동 분야 연구자들과 활발한 학술 및 연구 교류를 이끌고 있다.
장바구니
주문내역
: 
