고효율 염료감응 태양전지 - 중국과학원

고효율 염료감응 태양전지

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-18

중국과학원 (Chinese Academy of Sciences) 펭 왕 (Peng Wang) 화학교수 팀이 유기염료를 사용하여 9.8%효율의 염료감응 태양전지를 개발했다. 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 더 싸게 만들 수 있는 가능성이 있고, 유연한 소재 위에 인쇄기법을 이용해서 만들 수 있다는 장점도 있다. 하지만 귀금속인 루테늄 (ruthenium) 과 휘발성 전해질을 사용한다는 것이 문제였는데, 왕 교수의 연구팀은 유기염료와 이온성 액체 (ionic liquid)를 사용함으로써 고효율일 뿐만 아니라 더 저렴하고 내구성이 좋은 전지를 개발했다고 Chemical Communications 인터넷판에 발표된 논문에서 밝혔다. 개발의 핵심은 새로운 유기염료이며, 왕 교수의 연구팀은 처음으로 루테늄 염료와 대등한 수준의 효율을 나타내며 안정한 무용제 (solvent-free) 태양전지를 만들었다고 한다. 연구팀은 휘발성 전해질 대신 이온성 액체도 사용했는데, 휘발성 전해질에 포함된 유기용제는 고온에서 휘발하거나 샐 수 있는 반면, 이온성 액체는 플라스틱과도 함께 사용할 수 있어 보다 견고하면서도 유연한 태양전지도 가능하게 한다. 연구팀이 달성한 9.8% 효율은 유기 염료로는 새로운 기록을 세운 것이다. 염료감응 태양전지를 발명한 스위스 에콜폴리테크니크 페더럴 로잔 (Ecole Polytechnique Federale de Lausanne) 의 마이클 그레첼 (Michael Gratzel) 교수는 유기염료로 매직넘버인 10%에 근접한 효율을 얻는 것은 흥분되는 일이라고 밝혔다. 유기염료와 이온성 액체를 함께 사용할 경우, 효율은 8.1%로 떨어지지만, 그레첼 교수에 따르면 이 수치도 상당한 발전이다. 그레첼은 루테늄 염료와 비휘발성 전해질을 사용해서 10%의 효율을 달성한 바 있으며, 왕 교수의 연구팀과 유사한 구조의 전지로는 7.2%의 효율을 발표한 바 있다. 10년 전에는 1% 이상의 효율을 얻지 못할 것으로 생각했다고 그레첼 교수는 밝혔다. 염료감응 태양전지에서는, 염료로 코팅된 반도체 나노입자가 전해질과 함께 두 개의 유리판 사이에 샌드위치구조로 위치한다. 염료 분자는 빛을 흡수하여 전자를 생성하고, 전자는 반도체를 거쳐 외부 회로로 전달된다. 한편, 양전하 구멍 (positively charged holes)은 전해질로 가는데, 전자와 양전하 구멍이 재결합하여 전류를 감소시키는 것이 기존 유기 염료의 큰 문제점이었다. 왕의 연구팀이 디자인한 염료 분자는 세가지 효과로 전지의 효율을 증가시키는데, 첫째 전자를 반도체로 빠르게 이동하고, 둘째 전자와 양전하 구멍이 재결합되지 않도록 하며, 셋째 이전보다 더 많은 적색광을 흡수하는 것이다. 최소 두 개의 회사가 염료감응 태양전지를 상업화하고 있는데, 루테늄 염료와 휘발성 전해질을 사용하며 최고 11%의 효율을 가지고 있다. 다이솔 (Dyesol) 은 건물 외벽 설치용 태양전지 타일을 만들기 위해, 2008년 10월 호주 퀸베얀 (Queanbeyan)에 공장을 설립했고. 영국 카디프 (Cardiff) 의 지24 이노베이션 (G24 Innovations) 은 휴대폰용 태양광 충전기를 만들고 있다. 현재 연료감응 태양전지를 대량 적용하는데 있어 큰 문제점은 독성 휘발성 용제를 사용하는 것이라고 왕은 밝히고 그가 개발한 기술을 더 저렴하게 만들어서 더 많은 응용분야를 열 수 있다고 했다. 연구팀은 감광제의 응답스펙트럼을 적외선영역으로 확장하고 더 나은 무용제 전해질을 개발하는 방법으로 연료전지의 효율을 올리기 위해 연구하고 있다. 한편 로잔의 그레첼 연구팀은 보다 높은 목표를 세우고 있는데, 내년 말까지 비휘발성 전해질을 사용하여 14%의 효율을 달성하는 것이다. 염료로는 루테늄 염료나 유기 염료 중 하나가 적용될 것으로 보고 있으며 저렴한 유기 염료를 낙관적으로 보고 있다. 그레첼은 유기염료의 효율 증가 폭이 더 커서 일년정도면 유기염료가 루테늄 염료를 따라잡을 것이라고 밝혔다. 그림: 새로운 유기염료 분자가 염료감응 태양전지의 효율을 올려, 더 저렴하고 내구성 있는 태양전지의 제조를 가능하게 한다.