전기 생산하는 염료감응 태양전지 성큼!

국내 연구팀, 새로운 전극용 물질 내놓아

▲기계화학적 공정에 의한 셀레늄이 도입된 그래핀 제조 모식도.[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 국내 연구팀이 태양빛을 이용해 식물이 광합성을 하듯 전기를 생산하는 염료감응 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 전극용 물질을 개발했다. 이종원소 중 하나인 셀레늄(Se)을 그래핀에 세계 최초로 도입해 차세대 태양전지 중 하나인 염료감응 태양전지용 상대전극 재료를 내놓았다.

염료감응 태양전지는 산화·환원 전해질로 구성돼 있고 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지이다.

그래핀은 뛰어난 물리적, 전기적, 화학적 성질을 지녔다. 다양한 분야에서의 높은 응응 가능성으로 차세대 꿈의 신소재로 각광받고 있다. 탄소로만 구성돼 있는 그래핀은 전기화학적으로 활성이 낮아 이종원소 도입을 통한 분극화로 전기화학적 활성을 높여야 한다.

기존의 그래핀 제조 방법으로는 이종 원소를 도입하는데 많은 어려움이 있었다. 그래핀의 우수한 특성을 희생하고 만들어 지는 단점이 있어 다양한 분야에 응용하는데 한계를 노출했다. 연구팀은 기계화학적 공정을 통해 이종원소 중 하나인 셀레늄을 그래핀에 세계 최초로 도입했다. 셀레늄이 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 도입됐음을 투과전자 현미경으로 확인했다.

셀레늄이 도입된 그래핀은 염료감응 태양전지용 전해질인 코발트와 요오드 환원용 촉매로 특성을 평가했을 때 우수한 전기화학적 특성을 보일 뿐만 아니라 1000번을 사용한 후에도 최초의 전기화학적 특성을 그대로 유지할 정도로 안정성을 보였다.

이번 연구는 백종범 울산과기원 교수팀이 수행했다. 연구결과는 국제 학술지인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances) 6월17일자 온라인판(논문명:Edge-selenated graphene nanoplatelets as durable metal-free catalysts for iodine reduction reaction in dye-sensitized solar cells)에 실렸다.

백종범 교수는 "염료감응 태양전지의 상용화를 가로막던 원인 중 하나가 비싼 백금 촉매를 대체할 수 있는 새로운 소재개발이 늦어진 것"이라며 "셀레늄이 도입된 그래핀이 백금 전극을 대체하게 되면 염료감응 태양전지 상용화에도 기여할 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr