[국내] 염료 감응 태양전지 실용화 성큼 - 뛰어난 효율, 긴 수명 신개념 태양전지용 전해질 개발

차세대 고효율 태양전지로 각광받는 염료감응 태양전지(DDSC) 상용화에 가장 큰 문제점(액체 · 겔전해질)을 국내 연구진이 해결함으로써, 염료감응태양전지실용화에성큼다가섰다. 염료감응 태양전지는 유기염료와 나노기술을 이용해 고도의 에너지효율을 갖도록 개발한 것으로, 가격이 저렴하고 공정도 간단해 차세대 태양전지로 주목받는다. 박종혁교수(성균관대)가주도하고, 이건석석사(제1저자, LG화학기술연구원), 전용석 교수(울산과기대)가 참여한 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC)과 원천기술개발사업의 지원으로 수행했으며, 나노과학분야 권위지인《Nano Letters》온라인 속보에 실렸다.

박종혁 교수(성균관대) 연구팀은 자체 개발한 고분자 나노 소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서 성능은 동일하고 수명은 더욱 긴 신개념'염료 감응 태양전지용 전해질'개발에 성공했다. 전 세계적으로 상업화 연구가 활발한 염료 감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지로, 기존 실리콘 전지와 비교하면 제작 방법이 간단하고 경제적이며 투명하게 만들 수 있어 건물 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지다.

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그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용하기에 상업화에 큰 어려움을 겪었다. 반면, 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노 입자 사이로 스며들기 어려워 액체 전해질보다 성능이 떨어졌다. 이를 해결하고자 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원으로 이어주는 연구를 진행해 왔으나, 공정이 복잡하고 남은 가교제가 태양전지의 전기 수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움을 겪었다.
박 교수팀은 입자 크기가 똑같은 고분자 나노 소재(폴리스타이렌)를 태양전지의 상대 전극에 놓고, 폴리스타이렌을 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(Swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절해 기존 액체 · 겔 전해질의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발했다. 연구팀이 개발한 고분자 나노 소재를 이용한 염료 감응 태양전지는 기존 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서 수명이 더욱 길어진 것이 특징이다. 현재 국내외 특허 출원을 완료한 연구 결과는 향후 염료 감응 태양전지 분야의 핵심기술로 자리할 것으로 보인다.
박종혁 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 고효율 태양전지 개발을 선도하는 국가들과 격차를 줄일 수 있는 획기적인 기술로, 향후 얇으면서도 효율이 높은 차세대 태양전지 실용화를 앞당겨 국내외 에너지 시장에 커다란 파장을 일으킬 것으로 기대한다"고 밝혔다.

태양전지 저가화로, 태양광 발전 보급 확대
차세대 태양전지인 염료 감응 태양전지는 식물의 광합성 작용을 모방해 태양광 에너지를 전자의 흐름으로 만든다. 단지, 식물의 광합성은 빛을 엽록소라는 천연염료를 흡수하는 반면, 염료 감응 태양전지는 인공적으로 합성한 염료 분자를 이산화티타늄(TiO2) 나노 입자에 붙여 사용한다. 이산화티타늄 표면에 염료 분자를 화학적으로 흡착한 반도체 산화물 전극에 태양광을 조사하면 염료 분자는 전자를 내놓는데, 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 우리에게 필요한 최종적인 전기 에너지를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료 분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환한다.

(a) PS 나노 입자를 코팅한 상대 전극, (b) 액체 전해질을 주입한 후의 상태,
(c) 겔화 전해질을 제거한 후의 상대 전극 표면,
(d) 액체 전해질을 겔화한 상대 전극 모습.

염료 감응 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 제조 공정이 단순하며, 값싼 재료를 사용하기에 전지 가격이 실리콘 셀의 20~30%에 불과하다. 또한, 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다. 염료 감응 태양전지의 셀 성능이 12% 이상으로 보고돼 장기 안정성만 보장받는다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 것으로 전문가들은 예상한다. 최근 많은 국내외 기업이 염료 감응 태양전지의 장기 안정성을 높이고자 활발히 연구하지만, 여전히 액체 전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용한다. 그동안 전해질을 겔화해 액체 전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많았다.
그러나 겔화 전해질은 특성상 메조 기공을 갖는 이산화티타늄의 기공에 침투하지 못해 셀 성능이 기존 액체 전해질 대비 떨어진다.
박종혁 교수 연구팀은 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노 소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대 전극에 위치시키고, 폴리스타이렌을 선택적으로 팽윤 및 용해할 수 있는 액체 전해질의 용매를 조절해 기존 겔형 전해질의 단점을 극복한 신규 전해질을 개발했다. 초기 성능은 기존 액체 전해질과 거의 동일하며, 약 3주가 지난 후 성능을 비교할 때 액체 전해질을 사용한 염료 감응 태양전지에 비해 효율을 매우 안정적으로 유지했다.

【Tip】용어 따라 잡기 —
· 염료 감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell) | 산화 환원 전해질로 이뤄졌으며, 표면에 화학적으로 흡착한 염료 분자가 태양광을 받아 전자를 냄으로써 전기를 생산하는 전지다. 두 개의 전극과 그 사이를 채운 전해질로 이뤄진다. 광전극이라 불리는 전극은 투명 전극 위에 염료 분자를 흡착한 산화 이산화티타늄 나노 입자로, 상대 전극이라 불리는 전극은 백금을 코팅한 투명 전극으로 구성된다.
· 폴리스타이렌 나노 입자(Polystyrene Nanoparticles) | 유화중합을 통해 합성하며 균일한 크기를 갖는 나노 입자를 의미한다. 보통 입자 크기는 약 100∼1000㎚까지 조절할 수 있고, 주로 광학적인 특성을 제어할 목적으로 많이 활용하며, 최근 구형 입자나 나노 구조체를 합성하기 위한 형판型板으로 사용한다.
· 겔Gel 전해질 | 화장품과 같은 생활용품에도 많이 활용하는 용어로, 점성이 있는 물질을 통상적으로 지칭한다. 흐름이 전혀 없는 고체와 흐름이 자유로운 액체의 중간 형태를 지칭한다.