모바일 양자점으로 투명하고 고효율인 태양염료감응전지 개발
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모바일 양자점으로 투명하고 고효율인 태양염료감응전지 개발
  • 한수연 기자
  • 승인 2013.12.06 15:31
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[신소재공학과 강정구 교수팀]가시광선 영역 이외에도 적외선 영역까지 에너지를 흡수… 기존보다 높은 효율 달성으로 상용화 첫발 내딛어

 우리 학교 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 모바일 양자점(mobile quantum dot)을 이용해 투명한 고효율 태양염료감응전지 원천기술을 개발했다. 이번 연구는 9월 19일 세계적 학술지 네이처가 발간하는 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)>에 게재되었다.

 
상용화를 향한 차세대 태양 전지 태양염료감응전지
초기의 태양 전지는 실리콘 판으로 이뤄진 단순한 구조로 무겁고 두꺼웠다. 이때 태양전지는 효율을 높이기 위해 가시광선을 모두 흡수해 검은색에 가까웠다. 두께 또한 두꺼워 창문, 휴대폰 등 여러 분야에 사용되기는 어려웠다. 하지만 태양전지가 실생활에 사용되기 위해서는 얇고 투명하게 만들 필요가 있었다. 이를 위해 태양염료감응전지가 개발되었다. 태양염료감응전지는 염료를 이용해 전력을 생성하는 태양전지이다.
 
태양에너지로 엑시톤 분리해 전류 생성
태양염료감응전지는 엑시톤(exciton)이 분리되면서 발생된 전류를 저장한다. 엑시톤이란 절연체나 반도체에 있어 전자와 정공(hole)이 정전기적 인력으로 결합한 중성입자이다. 엑시톤은 빛에너지를 받으면 들뜬 상태가 된다. 엑시톤이 전자와 정공으로 나뉘면서 전자가 전극에 흘러들어 전류가 발생한다. 태양전지는 전자 수송 층인 N극과 정공 이동 층 P극으로 나뉜 구조다. 전자 수송 층은 엑시톤의 결합이 깨지며 나온 전자를 수송하고, 정공 이동 층은 전자가 나간 자리에 전자를 보충한다. 이산화 타이타늄이 전자 수송 층을 이루고, 액체인 전해질이 정공 이동 층을 구성한다. 이때 이산화타이타늄에 염료가 붙어 빛의 흡수를 돕는다.
 
기존 태양전지로는 상용화 어려워
태양염료감응전지는 초기의 태양전지보다 얇고 투명하다는 장점이 있지만 초기의 태양전지보다 에너지효율이 낮았다. 현재 태양염료감응전지는 광에너지 변환 효율이 14% 정도로 빛의 흡수율을 높이기 위해 빛 산란층과 플라즈몬 구조를 이용했다. 플라즈몬이란 금속 나노 입자의 산란 현상을 말한다. 빛의 산란과 플라즈몬 구조를 이용하면 빛이 바로 통과하지 않고 내부에서 좀 더 머물러 빛 에너지를 더 흡수할 수 있지만 이 때문에 태양전지가 두꺼워져 상용화에 어려움을 겪었다.
또한, 태양전지가 실생활에 적용되기 위해서는 투명하게 만들어야 한다. 그러나 태양전지가 가장 높은 에너지를 얻을 수 있는 가시광선을 모두 흡수한다면 검은색으로 만들어진다. 이 때문에 기존의 태양전지보다 태양염료감응전지의 효율 자체가 떨어질 수밖에 없었다.
 
모바일 양자점으로 적외선까지 흡수해
연구팀은 빛의 에너지를 더 흡수하기 위해 모바일 양자점(mobile quantum dot)을 사용했다. 모바일 양자점은 빛을 잘 흡수하는 나노 반도체 카드뮴셀레나이드 입자로 이뤄졌다. 전해질에 분산된 양자점은 빛의 흡수를 도와 효율을 높였다. 기존 태양염료감응전지의 염료가 흡수하는 빛의 파장은 780㎚였다. 그러나 모바일 양자점은 에너지 준위 차가 작아 낮은 에너지도 흡수할 수 있어 800㎚ 이상의 적외선 영역도 에너지로 사용할 수 있게 도와준다. 연구팀은 이를 이용해 빛의 산란층과 플라스몬 구조 없이도 약 9%대의 고효율을 달성했다. 한편, 적외선 부분의 영역도 흡수함으로써 가시광선 파장대만 사용했던 기존보다 더 투명한 태양전지를 만들 수 있게 되었다.
 
▲ 양자점이 염료에 에너지를 전달하는 과정=양자효율은 광자가 다른 에너지의 전자로 변환되는 비율이다. 양자점이 흡수한 적외선 영역의 에너지를 염료가 흡수하여 태양염료감응전지의 에너지 효율이 증가함을 알 수 있다/ 강정구 교수 제공
 
이번 연구는 처음으로 양자점을 사용하여 태양염료감응전지의 효율과 투명성을 높였다는 것에 의의가 있다. 강 교수팀 일원인 우리학교 EEWS 대학원 백세웅 박사는 “ 기존보다 두께가 얇은 구조와 투명성이 높은 태양염료감응전지의 장점으로 스마트폰, 노트북 등 앞으로 다양한 분야에 응용될 것”이라고 전망했다.

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