염료감응 태양전지 실용화 머잖았다
신개념 태양전지용 전해질, 세계 에너지 시장 파장 예고
차세대 고효율 태양전지로 각광받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화에 걸림돌이었던 액체·겔 전해질) 문제가 해결되어 염료감응 태양전지의 실용화에 성큼 다가서게 됐다. 국내 연구팀에서 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공한 것.
이로써 효율이 높은 차세대 태양전지의 실용화를 앞당겨 국내외 에너지 시장에 커다란 파장을 일으킬 것으로 기대된다.
김혜숙 기자 (eltred@chomdan.co.kr)
국내 연구팀에서 자체 개발한 고분자 나노소재를 이용해 기존 액체 전해질의 문제점을 해결하면서도 성능은 동일하고 수명은 더욱 길어진 신개념 염료감응 태양전지용 전해질 개발에 성공하였다.
이로써 차세대 고효율 태양전지로 각광받고 있는 염료감응 태양전지의 상용화에 가장 큰 문제점(액체·겔 전해질)이 해결, 염료감응 태양전지의 실용화에 성큼 다가서게 되었다.
성균관대 박종혁 교수(35세)가 주도하고, 이건석 석사(제1저자, (현) LG화학기술연구원), 전용석 교수(울산과기대)가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 선도연구센터지원사업(NCRC)과 원천기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 『Nano Letters』지※1 온라인 속보(4월 6일자)에 게재되었다.
현재 전 세계적으로 활발히 연구되고 상업화하려는 염료감응 태양전지※2는 식물의 광합성 원리를 이용한 태양전지로, 기존에 상용화된 실리콘 전지에 비해 제작방법이 간단하면서 경제적이고, 투명하게 만들 수 있어 건물의 유리창 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지이다. 그러나 휘발성이 높은 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 상업화에 큰 어려움이 있었다.
반면에 겔 전해질은 점도가 높아 태양전지 내 나노입자 사이로 침투되기 어려워 액체 전해질에 비해 성능이 좋지 않다. 이를 해결하기 위해 가교제를 포함한 액체 전해질을 먼저 태양전지에 주입하고 열이나 UV-광원을 이용해 이어주는 연구를 진행해왔으나, 공정이 복잡하고 남아있는 가교제가 태양전지의 전기수명을 떨어뜨리는 것으로 알려져 역시 실용화에 어려움이 있었다.
박 교수팀은 입자 크기가 똑같은 고분자 나노소재(폴리스타이렌)※3를 태양전지의 상대전극에 놓고 폴리스타이렌을 선택적으로 부풀어 오르게 하거나(팽윤, swelling) 용해하는 액체 전해질의 용매를 조절하여 기존의 액체·겔 전해질※4의 단점을 극복한 신개념 전해질을 개발하였다.
연구팀이 개발한 고분자 나노소재를 이용한 염료감응 태양전지는 기존의 액체 전해질과 동일한 성능을 나타내면서도 수명이 더욱 길어진 것이 특징이다. 현재 국내외 특허 출원이 완료된 이번 연구결과는 향후 염료감응 태양전지 분야의 핵심기술이 될 것으로 전망된다.
박종혁 교수는 “이번 연구성과는 차세대 고효율 태양전지 개발을 선도하는 국가들과의 격차를 줄일 수 있는 획기적인 기술로, 향후 얇으면서도 효율이 높은 차세대 태양전지의 실용화를 앞당겨 국내외 에너지 시장에 커다란 파장을 일으킬 것으로 기대한다.”고 밝혔다.
<연구 내용>
염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 통해 받은 태양광에너지를 전자의 흐름으로 만들어내어 자연현상을 모방하여 만들어진 차세대 태양전지이다. 단지, 식물의 잎에서 광합성을 할 때 빛을 엽록소라는 천연염료가 흡수하는 반면, 염료감응 태양전지는 인공적으로 합성된 염료분자를 TiO2(이산화 티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다. 이산화 티타늄 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 반도체 산화물 전극에 태양빛이 조사되면 염료분자는 전자를 내놓게 되는데 이 전자가 외부 회로를 통하여 이동하면서 우리가 필요로 하는 최종적인 전기에너지를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조공정이 단순하고 저가의 재료를 사용하기 때문에 전지의 가격이 실리
콘 셀 가격의 20~30% 정도에 불과하다.
또한 기존 실리콘계 태양전지와 비교했을 때 일광량의 영향을 적게 받는다. 염료감응 태양전지의 셀 성능이 12% 이상 보고되고 있어 장기 안정성만 보장된다면 태양전지의 저가화에 큰 역할을 할 수 있을 것으로 전문가들은 예상하고 있다.
최근 많은 국내외 기업들이 염료감응 태양전지의 장기 안정성 향상을 위해서 연구가 활발히 진행되고 있지만, 여전히 액체전해질의 높은 휘발성이 큰 문제로 작용하고 있다.
그동안 전해질을 겔화시켜 액체전해질의 증기압을 낮추려는 시도가 많이 있었다. 그러나 겔화된 전해질은 메조기공을 갖는 이산화 티타늄의 기공에 침투하지 못하는 특성으로 인하여 셀 성능이 기존 액체전해질 대비 떨어지는 단점이 있었다.
본 연구에서는 균일한 입자 크기를 갖는 고분자 나노소재인 폴리스타이렌을 태양전지의 상대전극에 위치시키고 폴리스타이렌을 선택적으로 팽윤 및 용해시킬 수 있는 액체전해질의 용매를 조절하여 기존 겔형 전해질의 단점을 극복할 수 있는 신규 전해질을 개발하였다. 초기성능은 기존 액체전해질과 거의 동일하였으며, 약 3주가 지난 후의 성능을 비교하였을 때 액체전해질을 사용한 염료감응 태양전지에 비해서 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다.
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<관련 용어 설명> |
