나노패턴기술을 이용해 더 많은 햇빛을 흡수해 전기로 바꾸는 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 차세대 태양전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 가능성을 열었다.

연세대 김은경, 김종학 교수가 주도하고, 김정훈 박사 및 고종관, 김병관 박사과정생이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터(ERC)사업의 지원으로 수행되었다.

차세대 에너지 생산기술 중 무한한 태양 빛을 이용한 태양전지는 소재, 사용 목적 및 효율에 따라 많은 기술로 세분화되는데, 이를 저렴하게 상용화하고자 하는 노력이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. 그 중 식물의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지는 기존에 상용화된 실리콘, 고분자 전지에 비해 만들기 쉽고 경제적이며, 투명하게도 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 고효율 전지로 각광받고 있다. 염료감응형 태양전지는 요오드를 포함하는 액체 전해질을 주로 사용하는데, 액체 전해질은 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발하여, 고체 전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되었다.

▲ 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

김은경, 김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자와 나노패터닝 기술을 이용해 안정하면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하였다. 특히 이번 성과는 염료감응형 태양전지에 처음으로 나노패턴을 도입하여 빛 수확기술을 활용했다는 점이 큰 특징이다. 빛 수확기술은 실리콘 태양전지와 고분자 태양전지에서 이미 개발되어 효과가 입증되었지만, 염료감응형 태양전지에서는 나노입자를 광전극으로 사용하고 이를 패터닝해야 하기 때문에 도입에 어려움이 있었다.

특히 연구팀은 무기나노입자를 직접 매우 작게(나노크기) 패터닝하여 광전극을 만들어, 흡수되지 못하고 투과되는 빛까지도 반사시켜 빛을 수확하여 광전변환효율을 극대화하였다. 연구팀의 기술은 기존의 태양전지를 만드는 과정에서 1∼2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있기 때문에 고가의 장비(패턴장비와 노광장비)가 필요한 공정에 비해 매우 간단하다. 또한 스탬프의 크기와 개수를 조절하여 원하는 면적만큼 넓게 만들 수 있기 때문에 대면적화가 가능하고, 패턴스탬프를 여러 번 재사용해도 전혀 문제없어 경제적이며 대량생산도 가능하다. 아울러 마이크로미터에서부터 수백 나노미터까지 다양한 크기의 패턴과 다양한 모양의 패터닝이 가능하다. 그리고 이 기술은 빛 수확능력이 탁월한 광전극을 이용해 다양한 태양전지와 소자에도 활용할 수 있다. 연구팀이 개발한 빛 수확용 광전극은 기존의 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지의 전류생산량을 40% 증대시키는 효과를 나타냈다. 또한 기존에 발표된 전도성 고분자 기반의 태양전지는 2∼3%의 낮은 효율을 보이는 반면에, 이 기술을 적용하고 전도성 고분자 고체 전해질을 이용하면 7.03%의 높은 광전효율을 나타냈다.

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