김환규 교수팀, 세계 최고 광전 변환 효율 발현의 포피린 기반 염료감응 태양전지 기술 개발

Adv. Energy Materials지 발표, "저가·장수명·고효율 염료감응 태양전지의 상업화 가능성 앞당겨 (2016.12.22)

▲ 과학기술대학 신소재화학과 강성호 박사과정(좌), 김환규 교수(우)

▲ Advanced Energy Materials 논문의 핵심 개요도

고려대학교 세종캠퍼스 신소재화학과 연구진이 염료감응 태양전지 분야에서 고효율 염료로 각광받고 있는

포피린염료를 이용, 세계 최고 수준의 광전변환효율을 나타내는 포피린 염료를 개발하여 화제다.

포피린(porphyrin)은 넓게 동식물체에 존재하는 포르핀 유도체로 센서, 생리의학 및 에너지 분야에

각광받고 있는 소재이다.

염료감응 태양전지 분야에서는 최고의 광전변환 효율을 나타내는 것이 바로 이 포피린 염료이다.

본 연구는 한국연구재단 `중견 연구자 지원사업`의 일환으로 진행되었으며, 고려대학교 세종캠퍼스 신소재화학과 김환규 교수 및 강성호 박사과정 연구팀에서 주도하고 연세대 박종혁 교수팀이 참여하였다. 김환규 교수 연구팀은 최고 효율을 나타내는 기존의 포피린 염료를 능가하는 세계 최고 효율의 포피린 염료를 개발하고 이를 적층형 병렬 태양전지에 적용, 14%의 광전변환효율 태양전지 소자를 구현하였다. 또 고전압 적층형 직렬 태양전지를 물분해를 이용하여 외부의 인가전압 없이 순수한 염료감응 태양전지만으로 5.4%의 수소변환효율을 달성하였다. 이는 단순히 염료감응 태양전지 염료합성 기술을 넘어서 다양한 소자기술을 통하여 염료감응 태양전지가 여러 분야에 적용 될 수 있다는 가능성을 보여줌과 동시에 그 효율 또한 세계 최고 수준을 나타내었다는 것이 학계의 평가다.

최근 전 세계적으로 염료감응태양전지의 상업화를 위하여 고효율 염료감응 태양전지 개발에 많은 연구가 집중되고 있으며 고효율 염료감응 태양전지 실현을 위해서는 전지를 구성하고 있는 각 구성 요소 재료(염료, 광전극, 전해질, 상대전극)에 대한 개별적인 고성능화 연구 및 이들 간의 조화로운 융합이 필요하다. 그중에서도 이번 고려대 연구진의 포피린 염료는 기존의 낮은 전압을 보이는 포피린 염료를 분자공학을 통한 예측 및 합성으로 개발된 것이다. 이를 통해 세계최고 효율의 적층형 병렬 염료감응 태양전지뿐만 아니라 직렬연결을 통한 고전압 염료감응 태양전지를 이용 외부의 도움 없이 염료감응 태양전지만으로 물분해가 가능하다는 것이다.

본 연구결과는 세계 최고 수준의 과학전문지로 화학⋅나노과학⋅에너지 및 재료 분야의 권위 있는 학술지인 ‘Advanced Energy Materials` 온라인 판에 게재하였다. (논문명: Zn-Porphyrin Sensitisers as World Champion Exceeding Dyes for Dye-Sensitised Solar Cells and their Tandem Solar Cells for Water Splitting Applications) 본 연구는 특히 고전압 적층형 직렬 태양전지 기술(고려대)을 기반으로 태양광을 이용한 물분해 기술(연세대)이 동시에 적용된 대표적인 융합형 공동연구의 성공사례로 볼 수 있다.

출처 : 커뮤니케이션팀