적외선을 이용할 수 있는 혁신적인 광섬유 태양전지의 개발

적외선을 이용할 수 있는 혁신적인 광섬유 태양전지의 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-04-06

일본의 연구팀이 섬유형으로 기존의 투명전극이 없는 염료 감응 태양전지를 개발하였고, 이를 2009년 3월 30일부터 4월 2일까지 츠쿠바(Tsukuba)대학에서 열린 56차 일본 응용물리학회에서 발표하였다. 이 연구는 큐슈공대(Kyushu Institute of Technology: KIT)의 생명과학 및 시스템공학 대학원의 Shuji Hayase 교수 연구팀에 의해 이루어졌다. 태양전지는 길이 3.5cm, 직경 9mm를 갖는 유리막대와 주위의 염료 감응형 태양전지 층(layer)으로 구성된다. 특별히 유리막대 주위에 티타늄 산화물(titanium oxide)과 감응 안료로 구성된 하나의 층, 요드액과 다른 전해질을 포함하는 음의 전극인 다공성 티타늄 및 양극으로 작용하는 백금과 티타늄의 한 층으로 구성되어 있다. 따라서 이 태양전지는 유리막대 양 끝을 제외하고 티타늄으로 덮여있는 것이다. 유리막대의 한쪽으로 들어오는 빛은 태양전지의 안료에 의해 흡수되고, 빛의 각도가 빛이 배출되기 전에 유리 내부 표면에 대해 모두 반사되지 않는 각도라며 전기로 전환된다. 현재, 이 태양전지의 전환효율은 한 종류의 안료를 사용할 때 1%를 약간 넘는다고 Hayase 교수는 밝혔다. 이 값은 작아 보일지도 모르나, 시험 장치가 9mm라는 큰 직경에 단지 1.5cm의 길이만을 갖고 있어 실질적으로 90%의 빛이 전환되지 않고 나간다는 것을 고려해야 한다. 이러한 상황을 고려한다면, 이 태양전지의 총괄효율은 약 10%에 해당한다고 할 수 있다. 손실된 빛에 대한 문제는 광섬유의 길이를 늘리고, 직경을 줄여서 해결될 수 있다고 교수는 주장하였다. 최종목적은 근적외선(near-infrared)의 활용 새로운 태양전지와 표준 염료 감응형 태양전지의 주요 차이점은 그들의 형태가 아닌 투명전극을 사용하지 않는다는 점이다. KIT 연구팀은 기존 염료 감응형 태양전지가 사용하지 않는 근적외선 에너지를 이용하여 전기를 생산한다고 Hayase 교수는 밝혔다. 그러나, ITO(SnO2:F)와 FTO(In2O3:Sn) 등 투명전극이 가시광선에 대해 모두 높은 투과성을 갖는다고 하더라도, 적외선에 대해 낮은 투과율을 갖는다. 연구원들은 투명전극이 없는 태양전지를 만드는 방법을 찾아냄으로써 위와 같은 문제점이 없는 태양전지에 대한 아이디어를 만들어 낼 수 있었다. KIT 연구팀은 이미 소위 서로 다른 파장 범위의 흡수광도를 갖는 두 종류의 안료를 적용한 직렬구조를 갖는 광섬유 태양전지의 표준모델을 갖고 있다. 만일 높은 흡수율의 안료가 근적외선과 다른 범위의 광을 흡수할 수 있다면, 흡수를 위한 빛과의 접촉 빈도를 제한 없이 증가시킬 수 있을 것이라고 Hayase 교수는 밝혔다. (그림) 광섬유 태양전지