이번 연구의 핵심은 미래 소재로 알려진 산화티타늄 (TiO2) 광결정 필름을 빠르고 대면적으로 제작하는 기술에 있으며, 이렇게 형성된 산화티타늄 필름의 효용성을 미래형 태양전지인 염료감응 태양전지에 성공적으로 적용했다.
이번에 개발된 산화티타늄 광결정 필름은 안정성 및 공정성이 뛰어나 염료감응 태양전지 이외에도 다양한 형태의 태양전지에 적용될 수 있으며, 이외에도 레이저, 광촉매 등 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 기대된다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응 기술개발사업(과제 책임자 : 국민대 이현정 교수)의 지원을 받아 세종대 이원목 교수, 국민대 이현정 교수, 한국과학기술연구원 공동 연구팀의 연구 성과로서, 연구 결과는 신소재 분야의 세계적 권위지인 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)지 8월 23일자 온라인판에 권두 표지<사진> 논문 (Frontispiece)로 발표됐다.
산화티타늄은 특유의 물리적 화학적 성질에 의해 광촉매, 자외선 차단제, 흰색 도료 등의 핵심소재로 널리 사용되고 있다. 또한 굴절률이 높아 또다른 미래형 소재인 광결정 소재로도 적합하다고 알려져 있다. 광결정이란 굴절률이 높은 투명 고체물질을 수백나노미터 크기의 격자 형태로 배열시킨 1~3차원 소재이다. 광결정은 태양광을 가두고 증폭시킬 수 있는 특수한 성질을 가진 것으로 알려져 있다.
또 산화티타늄은 실리콘 태양전지의 단점을 보완하는 미래형 에너지 기술로 각광받고 있는 염료감응 태양전지의 핵심 소재이다. 이로 인해, 광증폭이 가능한 광결정 기술이 태양전지에 접목될 경우 기존의 발전 효율을 획기적으로 증가시킬 수 있을 것으로 기대돼 지난 10여년간 미국 등 선진국에서 연구됐으나, 두 기술의 접목이 어려워서 이론적 예측이 실제 효율 증가로 실현되지 못했다.
그러나 이번 연구에서는 정밀 합성된 산화티타늄 나노입자와 고분자 마이크로 입자의 복합 분산액을 슬라이드 코팅법이라는 새로운 기술을 사용해 기질상에 빠르게 정렬시켜 효과적으로 복합 광결정 필름을 제작했으며, 열처리를 통해 산화티타늄 역오팔 (inverse opal) 광결정 필름으로 성공적으로 전환시켰다.
제작된 산화티타늄 역오팔 필름을 광전극으로 활용한 본 연구에서 기존 광결정 태양전지 연구에 비해 발전효율이 획기적으로 높아졌으며, 특히 같은 연구팀에서 2년전 보고한 발전효율에 비해서도 50% 이상의 효율 증가를 보였다.
<이진용 기자 @wjstjf>
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