생명나노화학과 장성연 교수 연구팀에 의해, 새로운 나노전극소재와 유기염료분자를 이용한 고효율 염료감응형 태양전지 (DSSC) 제조기술이 개발되었다. 이번 연구결과는, 그 동안 금속착물계 염료와 결정성 산화티타늄 (TiO2)을 주 소재로 사용해 오던 DSSC 분야에서, 고 흡광계수를 지닌 유기염료와 나노섬유구조의 비정질 삼성분계 금속산화물을 사용하는 새로운 소자구조를 제시했다는 데에 큰 의미가 있다.

이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자 핵심과제 (과제책임자: 장성연 교수, 연구기간: 2012년 9월 ~2015년 8월)의 지원을 받았으며, 연구 결과는 장성연 교수가 교신저자(공동)로 신소재 분야의 세계적 권위지인 Advanced Functional Materials 지 7월 5일자 권두 표지 논문 (Front Cover)으로 발표되었다 (“Amorphous Zinc Stannate (Zn2SnO4) Nanofibers Networks as Photoelectrodes for Organic Dye-Sensitized Solar Cells” Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 3146-3155)

DSSC는 실리콘 태양전지의 단점을 보완하는 미래형 태양전지로 각광받고 있으며, 그 구동원리는 염료물질이 광전극 표면에 흡착되어 빛을 흡수하고, 이때 생성된 전자를 광전극층을 통해 전달시킴으로 에너지변환이 이루어진다. 따라서 태양광을 효과적으로 흡수하는 높은 흡광계수를 지닌 염료소재와 높은 전자전달도를 보이는 광전극 소재가 핵심기술이다. 일반적인 DSSC에서는 결정질 TiO2 나노파티클과 금속착물계 염료를 사용하여 제조되며, 대부분의 연구가 이들 소재개발에 집중되어 있었다.

그 동안 유기태양전지 분야를 지속적으로 연구해 오던 본 연구팀은, 금속착물계 염료의 경우 중금속물질을 사용하고 흡광계수가 높지 않으며, 결정질 TiO2 의 경우 높은 가공 온도와 한정된 전자전달 능력을 가지는 한계점을 인식하고, 고흡광계수 유기염료분자에 대한 개발과 높은 전자전달 능력을 지니는 새로운 광전극 소재의 개발에 대한 연구의 필요성을 제기해 왔다. 이중 삼성분계 금속산화물 (ternary metal oxide)의 경우, DSSC의 전극재료로의 활용가능성이 최근 제기되어 왔으나, 이들을 원하는 형태의 나노구조로 제조하고 광전극으로 적용한 사례는 흔치 않았다.

본 연구에서는, 금속산화물에 비해 2배이상 높은 흡광계수를 지니는 유기염료를 합성하고, 이를 전기방사 (electrospinning) 방법을 통해 제조된 비정질 Zinc Stannate (Zn2SnO4) 나노섬유기반의 광전극에 흡착시켜, 새로운 소재들로 구성된 염료감응형 태양전지 소자를 성공적으로 제조하였다. 본 기술로 제조된 소자의 경우, 기존의 금속착물계 염료를 사용하여 제조된 소자에 비해 2배 이상 높은 광전변환 효율을 나타내었다. 본 연구팀은 프랑스 CEA-CNRS 연구소와, KAIST 신소재공학과와의 공동연구를 통해 보다 창조적인 소재개발과 소자구성의 연구성과를 이룰 수 있었다.

본 연구로 개발된 염료감응형 태양전지 소자의 경우, 다양한 삼성분계 금속산화물 나노구조체들과 유기염료분자들의 조합을 통한 고효율 DSSC 소자개발에 대한 가능성을 열어주는 연구이다. 현재 본 연구팀에서는 삼성분계 금속산화물의 새로운 나노구조체 개발과 DSSC 소자의 추가적 효율향상을 위한 연구를 활발히 진행 중이다.