염료감응 태양전지 발전효율 10% 향상된다

아세틸렌 블랙 이용해 햇볕이 머물 수 있는 공극 형성

이 민 선 기자

식물이 광합성을 함으로써 에너지를 얻듯이 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지, CIGS 박막 태양전지 등에 비해 제조공정이 단순하며 투명하게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

염료감응 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용, 유기염료가 태양빛을 흡수해 전자를 발생시키면 이를 반도체 특성을 갖는 나노 TiO2 입자를 통해 전극에 전달함으로써 전기를 생산한다. 실리콘 기반의 상용 태양전지와 비교해 제작이 간단하면서 생산원가가 낮고, 투명하게 제작할 수 있어 건물이나 차량의 유리창, 실외의 공간 등에 직접 활용할 수 있는 차세대 태양전지로 인식되고 있다.

충남대학교 재료공학과 윤순길 교수와 한국에너지기술연구원 한치환 박사가 공동으로 수행한 이번 연구결과는 세아 E&T 조태연 박사가 제1저자로 참여했으며, 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 온라인판에 게재됐다. 한편 충남대학교의 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행됐다.

연구팀은 염료감응 태양전지의 나노박막에 값싼 아세틸렌 블랙을 첨가한 후 다시 휘발시키는 방식으로 인위적 공극을 만들어 태양빛이 공극으로 인해 보다 오래 박막에 머물도록 함으로써 발전효율을 최대 10% 내외까지 향상시켰다. 하지만 실리콘 태양전지(25~30%)나 CIGS 박막 태양전지(20%)에 비해 효율이 낮아(13%) 상용화를 위해서는 효율을 향상시켜야 하는 과제가 남아있다.

염료감응 태양전지에서 일어나는 산화환원반응의 촉매역할을 하는 TiO2 나노박막에 아세틸렌 블랙을 첨가한 후 500℃에서 30분 동안 열처리하면 아세틸렌 블랙이 휘발하면서 나노박막에 아세틸렌 블랙이 빠져나간 빈 구멍이 생기는 점을 이용했다. 유입된 태양광은 이렇게 만들어진 구멍에서 반사되거나 흡수되면서 더욱 오래 나노박막 내에 머물게 된다. 결과적으로 태양광의 박막 내 유지시간을 늘림으로써 공극에 흡착된 염료에서 전자가 더 많이 발생하도록 해 발전효율을 높이게 된다.

기존에는 입사되는 태양빛을 더 오래 붙잡아 두기 위해 반사막을 추가하는 방식이었다. 하지만 이 경우 공정이 추가되고 생산비용이 높아진다는 단점이 있었다. 이번에 개발된 방법에 의하면 아세틸렌 블랙의 첨가로 만들어진 빈 공간이 반사막 역할을 대신해 별도의 반사막이 필요 없다.

또한 열처리 과정에서 아세틸렌 블랙 이외에도 본래 나노박막에 있던 불순물인 카본도 함께 휘발시켜 나노박막에 대한 염료 흡착량이 높아지는 효과도 얻을 수 있어 효율 향상에 시너지 효과를 냈다는 설명이다. 특히 이번 연구는 산학연 협력연구를 통해 얻어진 결과로 관련 기술에 대한 특허등록까지 마쳤다.

윤순길 교수는 “나노 TiO2 박막 내에 아세틸렌 블랙을 쉽게 첨가해 효율향상은 물론, 가격적인 측면에서도 큰 장점을 갖게 돼 향후 염료감응 태양전지 시장에 큰 영향을 미칠 것으로 기대된다”고 밝혔다.

SOLAR TODAY 이 민 선 기자 (st@infothe.com)