백종범 UNIST 교수팀 주도…셀레늄 도입된 그래핀 촉매 안정성 및 전지효율 개선
국내 연구진이 차세대 태양전지 중 하나인 염료감응 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 새로운 전극용 물질을 개발했다. 염료감응 태양전지는 산화·환원 전해질로 구성돼 있으며, 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양빛을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산한다.
울산과학기술원(UNIST) 백종범 교수, 주명종 연구부교수(제1저자), 전인엽 박사(공동 제1저자), 한국과학기술원(KAIST) 김용훈 교수(공동교신저자), 고려대(세종) 김환규 교수(공동교신저자) 등으로 이뤄진 공동연구팀은 기계화학적 공정을 통해 이종원소 중 하나인 셀레늄(Se)을 그래핀에 도입, 염료감응 태양전지용 상대전극(환원전극) 재료를 개발했다고 18일 밝혔다. 상대전극은 전해질에 전자를 제공해 산화된 전해질을 원래의 상태로 환원시켜주는 역할을 하는 전극을 뜻한다.
탄소로만 구성돼 있는 그래핀은 전기화학적으로 활성이 낮아, 이종원소 도입을 통한 분극화(물질내 전자 분포상태가 비편재화된 현상)로 전기화학적 활성을 높여야 한다.
그러나 기존의 그래핀 제조 방법으로는 이종 원소를 도입하는데 많은 어려움이 있고, 그래핀의 우수한 특성을 희생하고 만들어 지는 단점이 있다. 이 때문에 다양한 분야에 응용하는데 한계가 있다. 연구팀은 셀레늄을 그래핀의 가장자리에만 선택적으로 도입해 전기화학적 촉매특성을 극대화했다.
연구팀은 “셀레늄이 도입된 그래핀은 염료감응 태양전지용 전해질인 코발트 및 요오드 환원용 촉매로 특성을 평가했을 때 우수한 전기화학적 특성을 보일 뿐만 아니라, 1000번을 사용한 후에도 최초의 전기화학적 특성을 그대로 유지할 정도로 안정성을 보였다”며 백금을 능가하는 전지효율이라고 설명했다.
백 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 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구성과는 국제학술지인 ‘사이언스 어드밴시스’ 17일자 온라인판에 게재됐다.
