성균관대 박종혁 교수(35세)가 주도하고, 이건석 석사(제1저자, (현) LG화학기술연구원), 전용석 교수(울산과기대)가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC)과 원천기술개발사업의 지원으로 수행되었고, 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Nano Letters'지 온라인 속보(4월 6일자)에 게재되었다. (논문명: Controlled Dissolution of Polystyrene Nano-beads: Transition from Liquid Electrolyte to Gel electrolyte)
박종혁 교수 연구팀은 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공하였다.
현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 상업화하려는 염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지로, 기존에 상용화된 실리콘 전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지이다. 그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 상업화에 큰 어려움이 있었다.
반면에 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노입자 사이로 침투되기 어려워 액체 전해질에 비해 성능이 좋지 않다. 이를 해결하기 위해 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원을 이용해 이어주는 연구를 진행해왔으나, 공정이 복잡하고 남아있는 가교제가 태양전지의 전기수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움이 있었다.
박 교수팀은 입자크기가 똑같은 고분자 나노소재(폴리스타이렌)를 태양전지의 상대전극에 놓고 폴리스타이렌을 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(팽윤, swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절하여 기존의 액체·겔 전해질의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발하였다.
특히 연구팀이 개발한 고분자 나노소재를 이용한 염료감응 태양전지는 기존의 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서도 수명이 더욱 길어진 것이 특징이다. 현재 국내외 특허 출원이 완료된 이번 연구결과는 향후 염료감응 태양전지 분야의 핵심기술이 될 것으로 전망된다.
박 교수는 “이번 연구성과는 차세대 고효율 태양전지 개발을 선도하는 국가들과의 격차를 줄일 수 있는 획기적인 기술로, 향후 얇으면서도 효율이 높은 차세대 태양전지의 실용화를 앞당겨 국내외 에너지 시장에 커다란 파장을 일으킬 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
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