유기색소를 이용한 고성능 염료감응형 태양전지 개발

유기색소를 이용한 고성능 염료감응형 태양전지 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-11-19

일본 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO; New Energy and Industrial Technology Development Organization)의 산업기술연구조성사업의 일환으로 산업기술종합연구소 하라(原浩二?)와 코우무라(甲村長利) 연구원은 차세대 태양전지로서 유망한 고성능 유기색소에 의한 염료감응형 태양전지를 개발하였다. 최근, 환경부하를 저감시킬 수 있는 차세대 태양전지의 하나로서 염료감응형 태양전지의 실용화를 위한 연구 개발이 활발해지고 있다. 그러나 기존의 염료감응형 태양전지는 희소금속인 루테늄(ruthenium) 담체를 광 흡수재료로 사용하기 때문에 자원적 제약에 따른 가격 상승이 문제가 될 것으로 예상된다. 또한 휘발성 유기용매를 포함하는 요오드의 산화환원반응(redox) 전해액(요오드 및 요오드 이온을 포함)을 사용하고 있기 때문에 셀 내구성 향상이 과제로 남았있다. 본 연구는 높은 효율의 달성과 함께 이러한 문제점를 해결하기 위해 루테늄 담체를 대체하는 새로운 유기색소 광 흡수재료(MK-2)를 개발함과 동시에 유기전해질 올리고머(oligomer)구조를 가진 겔화제와 난휘발성의 이온성 액체로 구성된 신규 전해질을 사용함으로써 신규 유기색소 염료감응형 태양전지를 개발하였다. 신규 유기색소의 개발에는 분자설계기술을 채용하여 최적화하였다. 쿠마린(coumarine) 색소는 8%의 고효율(유기용매계 전해액을 사용)을 얻을 수 있었으나, 색소에서 산화 티타늄 전극으로의 전자이동 효율이 낮고 전자수명이 짧은 것으로 나타나 새롭게 MK색소(카르바졸; carbazole)를 합성하여 이 문제를 해결하였다. 또한 이온액체 전해액과 이온겔 전해질을 이용함으로써 고효율을 유지함과 동시에 충분한 내구성을 얻을 수 있었다. 본 연구에서 개발된 기술의 장점은 다음과 같다. (1) 고효율 새롭게 설계, 합성한 MK-2색소와 이온액체 전해액을 이용함으로써 7.6%의 변환효율을 달성하였다(현재 이온액체 전해액을 이용한 염료 감응형 태양전지의 세계 최고수준). (2) 높은 내구성 자외선이 제거된 유사 태양광조사와 같은 비교적 온화한 조건 하에서는 충분한 내구성을 갖는다. 또한 난휘발성의 이온액체 전해액을 사용함으로써 비교적 고온에서도 성능 저하가 나타나지 않는다(이온액체의 난휘발성이 내구성 향상에 기여). (3) 자원적 제약이 없음 희소금속인 루테늄과는 달리 자원적 제약이 적은 유기재료를 사용하고 있다. (4) 저비용 셀 제작방법이 간단하고 재료도 저가여서 저렴한 비용으로 제조할 수 있다. (그림) 유기색소를 이용한 염료감응형 태양전지 셀(왼쪽), 유기색소(MK-2) 분자구조식(오른쪽)