KAIST(총장 서남표)는 기계공학과 고승환·성형진 교수팀이 숲을 모방한 산화아연 기능성 나노구조체를 만드는 기술을 개발하고 이 기술을 염료감응형 태양전지에 적용해 에너지 변환효율을 세계 최고 수준으로 향상시켰다고 31일 밝혔다.

염료감응형 태양전지(DSSC:Dye Sensitized Solar Cell)는 주로 산화티타늄(TiO2) 나노입자로 이루어진 무질서한 다공성 구조체를 전극 재료로 이용한다. 이 전극에서 생성된 전자가 다공성 구조체를 지나면서 생기는 정공-전자 재결함으로 인해 에너지 손실이 많았다.

연구팀은 자연계에서 무성한 나뭇가지로 나뭇잎이 햇빛을 효과적으로 흡수할 수 있도록 한 구조에 착안해, 산화아연(ZnO) 나노와이어로 합성된 '나노 나무'와 그들의 집합체인 '나노 숲'을 구현했다.

이 나노구조체를 이용해 광반응으로 생성된 전자의 손실을 크게 줄여 염료감응형 태양전지의 효율을 3~5배 향상시키는 데 성공했다. 또한 이 구조는 염료감응형 태양전지에서 산화티타늄 나노다공성 구조체의 효율을 뛰어넘을 수 있다는 가능성도 세계 최초로 제시했다.

고승환 교수는 "이번 신물질과 새로운 기능성 나노구조체 개발에 대한 연구로 태양전지 효율을 극대화해 이 분야에서 세계적 수준을 갖추게 됐다"며 "나노구조체가 광센서 디스플레이등의 다양한 전자기기의 성능향상의 연구에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단의 창의적 연구 진흥사업과 신진연구사업 지원을 받아 수행됐으며, 나노과학 분야 세계적 학술지인 '나노 레터스(Nano Letters)'지 1월호 온라인 판에 게재됐다.

※ 용어설명
► 정공-전자 재결합 (recombination) : 태양광을 받은 염료에서 약한 결합력을 가지고 있는 반대 극성의 정공(Hole)-전자(electron)쌍이 생성되는데, 이 정공-전자쌍이 산화금속 나노구조체를 지나면서 다시 합쳐져서 에너지가 소멸되는 현상. 정공-전자 재결합이 많이 생기게 되면 태양전지의 효율이 급격히 떨어지게된다.

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