염료감응 태양전지 원리

염료감응 태양전지 효율 실리콘 버금가 /

전기신문 2006-06-14

1991년 스위스의 그래츨(Gratzel)교수는 광합성반응 원리를 이용한 신개념의 ‘염료감응 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell)’를 세계 최초로 개발했다.
염료감응 태양전지는 금속산화물인 TiO2(산화티탄) 표면에 염료(루테늄(Ru))를 담지(擔持)시켜 광전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 원리다.
실리콘 태양전지에 버금가는 에너지 변환효율을 갖고 있으며, 생산원가가 실리콘 태양전지의 5분의 1 수준으로 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
특히 몇 년 전까지만 해도 다결정 실리콘 가격이 kg당 25달러였으나 최근 소재 가격이 3배 이상 폭등하면서 앞으로 염료감응 태양전지의 상용화에도 청신호가 켜졌다.

▲염료감응 태양전지의 원리
염 료감응 태양전지는 태양광이 TiO2 표면에 있는 염료(Dye)에 내리쫴 전자(Electron)가 생성되면서 작동을 시작한다. 생성된 전자는 TiO2를 이동해 전도성 유리(ITO Glass)에 이르고, 전선을 따라 흐르면서 전기를 생산한다. 전자는 반대편 전도성 유리표면의 백금판에 도달해 두 전도성 유리판 사이에 들어 있는 전해질로 전달된다.
전력연구원 신소재그룹 관계자는 “전해질로 전달된 전자는 전자를 상실했던 염료로 이동되는 전자 순환체계가 형성되면서 지속적으로 전기를 생산하게 된다”며 “그러나 전자생성과 이동에 참여했던 모든 물체는 변함없이 지속적으로 전기를 만든다”고 설명했다.
현재 많은 연구기관에서 염료감응 전지의 저가 생산을 위해 고가의 염료와 백금을 소량 사용하고 있고, 특히 대체물질 개발 등이 활발히 이루어지는 만큼 연료감응 전지 생산단가도 더욱 낮아질 것으로 전망된다. 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 생산원가가 저렴하고, 날씨가 흐려도 작동돼는 장점을 갖고 있다. 또 빛의 조사각도가 10°로 좁아도 전기 생산이 가능하다.
뿐만 아니라 투명하게 제작할 수 있어 2~3장을 겹치는 다중 제작이 가능하고, 같은 면적에서 효율을 2~3배 늘릴 수 있는 특징이 있다. 이에 따라 응용분야가 다양한 염료감응 태양전지는 앞으로 빌딩 창문, IT 제품의 자가발전기, 군사용 등으로 활용될 것으로 기대된다.

▲2010년 상용화 목표
전력연구원에서는 올해부터 염료감응 태양전지의 TiO2 박막 연구를 시작했다. 연구의 핵심은 TiO2 박막에서 전자 생성과 이동성을 향상시키는 것이다.
염 료감응 태양전지에 사용되는 TiO2는 직경이 약 20nm(나노미터)로, 입자크기가 작으면 비표면적이 증가하면서 염료가 다량 흡착되고 많은 전자가 생성되는 특징이 있다. 또 더 작은 TiO2 입자를 사용하면 염료를 보다 많이 흡착해 전자 생성에 도움이 된다.
신소재그룹 관계자는 “작은 TiO2를 사용하면 입자 사이에 형성되는 경계면(Boundary) 또한 늘어나기 때문에 전자 재결합(Recombination)의 장소로 사용될 수 있다는 단점이 있다”며 “이처럼 TiO2의 입자크기(Size), 결정상(Crystallinity), 표면상태(Sur State) 등은 염료감응 태양전지의 에너지 변화효율에 영향을 줄 수 있는 핵심요인의 하나가 될 수 있다”고 설명했다.
이에 따라 신소재그룹은 염료감응 태양전지의 TiO2 박막 연구에서 전자의 대량 생성과 전자이동성을 향상시키는 최적의 TiO2 박막구조를 찾고, 염료감응 태양전지의 에너지변환 효율을 증가시킬 수 있는 핵심 요소기술을 확보하는데 주력할 계획이다.
이 연구는 2010년 초 국내·외 생산업체, 연구소 등과의 실증연구를 마치고 뒤 상용화될 것으로 신소재그룹은 전망했다.