▲ 탄소나노튜브 마이크로 볼을 이용한 투명 상대전극. 탄소나노튜브 마이크로 볼을 이용한 투명 상대전극

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

한국전기연구원(KERI·원장 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.

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 게재됐으며, 네이처지를 출판하는 네이처 퍼블리싱그룹(NPG)에서 운영하는 아시아 머티리얼즈(Asia Materials)지에도 최근 연구뉴스 하일라이트(Research Highlight)로 소개되는 등 과학계의 주목을 끌고 있다.

* 탄소나노튜브(carbon nanotube) : 탄소들이 벌집처럼 연결돼 다발형태를 이룬 것으로 지름이 1나노미터(10억분의 1m) 단위로 머리카락의 10만분의 1에 불과하다.

구리보다 전기를 1,000배나 잘 흘리고 강철보다 100배나 강해 다양한 전기전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.

* 염료감응태양전지의 구성과 작동원리 : 일반적으로 p형과 n형의 접합을 이용해 태양광을 전기로 변환하는 실리콘 태양전지로 대표되는 반도체 방식의 태양전지와는 달리, 식물의 광합성작용을 모사해 염료와 전해질, 상대전극, 나노다공질 전극으로 구성된 화학적 원리를 이용하여 전기를 생산하는 태양전지를 일컫는다.

여기서 염료는 식물의 엽록소와 같이 태양빛을 받아들여 전기를 만들어내는 역할을 담당하고, 나노 다공질 전극은 만들어진 전기의 통로 역할을 수행한다.

반도체 방식의 태양전지와 달리 유기 물질과 유기물질을 복합적으로 사용하기 때문에 유기 태양전지로 분류한다.

이 전지는 높은 이론효율을 지니고 있고, 친환경적인 재료로 구성되어 있고, 다양한 색깔을 가지게 할 수 있고, 투명하게 제작하는 것이 가능한 기능적 장점을 지니고 있다.

특히 탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지는 기존의 기술이 고가의 백금을 상대전극으로 사용하는 것에 비해 가격이 저렴하고, 화학적인 안정성이 뛰어나면서도 촉매특성이 우수한 탄소나노튜브를 사용하기 때문에 태양전지의 특성은 유지하면서도 제작비용을 크게 낮춘 것이 특징이다.