한국과학기술연구원(KIST, 원장 금동화) 하이브리드재료연구센터 이현정 박사팀은 지난 13일 광결정 구조를 이용, 빛을 증폭시켜 발전 효율을 높일 수 있는 염료감응형 광증폭형 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
이현정 박사팀은 이번 연구에서 입자간 빈 공간을 효과적으로 채울 수 있는 나노미터 수준의 이산화티타늄 입자를 활용함으로써 조밀한 역오팔 구조의 광결정 물질을 제조했으며 광결정 구조를 이루는 고분자 희생입자의 크기를 조절함으로써 염료감응태양전지에서 활용되는 빛의 파장을 선택적으로 활용해 기존 연구결과에 비해 획기적으로 향상된 3.0~3.5%의 발전효율을 달성했다.
이 기술은 향후 광감응제의 흡수파장과 광결정구조의 희생입자 크기를 동시에 조절함으로써 광감응제의 흡수효율을 증폭시켜 태양전지의 효율을 극대화하는 핵심 기술이 될 수 있을 것으로 전망된다. 또한 이러한 기술을 염료감응태양전지뿐만 아니라 다양한 구조의 태양전지에 접목함으로써 태양광을 보다 효과적으로 활용하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
기존의 염료감응형 태양전지가 감광염료로 코팅된 이산화티타늄(TiO2) 입자로 무질서하게 연결된 전극구조를 갖고 있었다. 그러나 이번에 개발된 기술은 서로 다른 투명재료가 빛의 파장 정도의 공간적 주기성을 가지는 격자 형태의 구조인 광결정 구조를 이용함으로써 특정 파장의 빛을 선택적으로 가둘 수 있고 전해질과 전자의 효율적 전달을 가능케 함으로써 광증폭 효과를 보이는 태양전지를 구현할 수 있게 됐다.
과거 소수의 연구 그룹에서 이러한 개념의 태양전지에 대한 이론적 메카니즘을 제시한 적은 있었지만 실험적으로 성공한 그룹은 없었으며 대부분 0.6% 이하의 매우 낮은 효율을 보였다. 기존의 그룹들의 광결정 구조는 대부분 이산화티타늄의 전구체를 이용한 솔-젤 반응 후 고온 소결 공정을 적용했는데 반응 중 부산물이 많이 생겨 대면적으로 조밀한 구조를 실험적으로 구현하기가 어렵기 때문이었다.
이 박사의 이번 연구 성과는 KIST의 기관고유사업과 기초기술연구회의 협동연구사업 중 KIST-세종대 간의 공동연구로 개발된 것이며 신소재 분야의 최고 권위지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'지의 속 표지논문으로 지난 9일 게재됐다.