국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받는 염료감응 태양전지에 활용 가능한 신개념 친환경성 고분자 전해질을 개발하여, 염료감응 태양전지의 산업화를 앞당길 수 있는 길을 마련했다.

미래창조과학부(장관 최문기) ‘미래유망융합기술 파이오니어사업’의 지원으로 한국과학기술연구원(원장 문길주) 고민재 박사 팀에서 주도한 이번 연구는 기존의 액체 전해질과 고분자 젤 전해질의 장점을 극대화하고, 값싸고 친환경적인 물을 고분자전해질의 주된 용매로 사용하여 고효율성·고내구성을 담보하는 태양전지 기술을 개발하였다.

그동안 염료감응 태양전지는 액체전해질을 주로 이용하였지만, 누액 문제로 인해 고분자를 유기용매에 녹여 점도를 높인 고분자 젤 전해질을 사용하려는 시도가 활발하게 연구되어 왔다.

하지만 고분자 젤 전해질을 사용할 경우, 태양전지의 성능이 떨어지고, 높은 점도 때문에 광전극의 미세나노기공 내부로의 전해질 침투가 어려워 실제 상용화를 위한 적용에 문제가 있었다.

이의 극복을 위해 연구팀은 틱소트로피(thixotropy) 성질을 가지는 고분자인 잔탄검(Xantham Gum)을 고분자 젤 전해질에 적용 하였다.

틱소트로피란 물질의 점도가 시간에 따라 변하는 특성으로 고농도의 콜로이드 용액, 고분자 용액을 흔들어 혼합하는 등 외력을 가하면 유동성을 보이고 외력을 제거하면 유동성이 없어지는 현상을 뜻하는데, 연구팀은 잔탄검 고분자 젤 전해질의 이런 특성을 이용하여, 태양전지 내에 주입하기 전에는 흔듦과 같은 외력을 주어 점도를 줄여 광전극 나노기공으로의 침투를 용이하게 하고, 침투 후에는 자연스럽게 외력이 제거되어 전해질의 점도를 상승시켜 형태안정성을 유지하도록 하였다.

또한 연구팀은 기존의 유기용매 대신 물을 전해질의 주된 용매로 사용하여 가격경쟁력을 확보하고, 소재의 인체 안정성을 확보하였다.

이번에 개발된 고분자 젤 전해질은 액체 전해질에 비해 효율은 거의 동일하고, 시간이 경과 후에도 효율이 매우 안정적으로 유지되어, 기존 전해질의 장점이 극대화된 전해질임이 확인되었으며 나노기술 관련분야 최고 학술지인 ACS Nano (IF 12.062) 5월 28일자에 게재되었다.

고민재 박사는 “이번에 개발된 기술은 초저가 염료감응 태양전지 실용화를 위한 기술적 토대를 마련한 성과로, 이미 국내외 특허출원이 완료되어 세계시장에서 산업화 성과를 이끌어낼 계기가 될 것이다”라고 의의를 밝혔다.