[논문]염료감응 태양전지 개발동향 및 전망

강문성; 강용수

doi:10.4150/kpmi.2005.12.1.007

염료감응 태양전지 개발동향 및 전망
Development Trends and Perspectives of Dye-Sensitized Solar Cells 원문보기

한국분말야금학회지 = Journal of Korean Powder Metallurgy Institute, v.12 no.1, 2005년, pp.7 - 16

강문성 (한국과학기술연구원 촉진수송분리막 연구단) , 강용수 (한국과학기술연구원 촉진수송분리막 연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

Dye-sensitized solar cells(DSSCs) have been under investigation for the past decade due to their attractive features such as high energy conversion efficiency and low production costs. The basis for energy conversion in the injection of electrons from a photoexcited stateof a dye sensitizer into the conduction band of the nanocrystalline $TiO_2$ semiconductor upon absorption of light. It is believed that the DSSC is one of the most promising technologies to solve the significant energy problems. In this article, the development trends and perspective of DSSCs were reviewed.

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문제 정의

상기 이온전도체를 사용한 염료감응 태양전지 외에도 홀전도체 (hole conductor)를 사용한 고체형 이질접합(heterojunction) 염료감응 태양 전지와 반도체 고분자 태양전지 역시 최근 세계적으 로 많은 연구 및 개발이 진행 중이다. 본 총설에서는 염료감응 태양전지의 최신 연구동향 및 향후 전망에 대해 소개하고자 한다.

제안 방법

현재 가장 우수한 광전변환 효율을 나타내고 있는 루테늄계 염료들 은 N₃ 착체의 구조를 기본으로 하여 개발되었다. 그림 117)에 N3 염료와 흑색 염료 (black dye: RuL'(NCS)3; L'=2, 2'2'-teipyridyl44', 4"-tricarboxylate)의 파 장에 따라 광자를 전류로 변환시키는 IPCE(incident photon-to-current conversion efficiency) 특성을 비교하였다. 최근에는 염료의 안정성 향상과 가격저하를 위해 무금속(metal-fHe) 유기염료의 개발이 주목받고 있다.
한편, 기존의 실리콘 반도체 태양전지의 단점을 보 완할 수 있는 새로운 형태의 태양전지가 1990년대 초 스위스의 Gratzel 박사팀에 의해 개발되었다1). 즉, 기존의 반도체의 p-n 접합형식에서 벗어나, 넓은 표 면적과 밴드갭 (band gap) 특성을 가진 나노산화물 입자, 빛을 흡수하여 전자를 생성할 수 있는 염료 (dye), 그리고 산화/환원쌍(I-/I3-)을 포함하는 전해질 로 구성된 염료감응 태양전지 (dye-sensitized solar ceU, DSC)가 고비용의 실리콘 반도체 태양전지에 대한 새로운 대안으로써 제시되었다. Gratzel 박사팀이 개발한 염료감응 태양전지는 10% 이상의 에너지 전 환효율을 나타내었으며, 특히 제조단가가 기존 실리 콘 반도체 태양전지의 약 1/5 수준이어서 태양전지의 보급화에 큰 기여를 할 것으로 예상되고 있다2>.

성능/효과

1) 염료에 의한 여기전자의 생성 및 반도체 산화 물 입자로의 전자의 주입이 소멸보다 빨리 이루어져 야 한다. 2) 염료로부터 반도체 산화물 입자로 전자 가 주입되는 시간이 전자가 반도체 입자에서 생성된 정공과 결합하는 시간보다 짧아야한다.
1) 염료에 의한 여기전자의 생성 및 반도체 산화 물 입자로의 전자의 주입이 소멸보다 빨리 이루어져 야 한다. 2) 염료로부터 반도체 산화물 입자로 전자 가 주입되는 시간이 전자가 반도체 입자에서 생성된 정공과 결합하는 시간보다 짧아야한다. 일반적으로 염료에서 반도체 입자로 전자가 주입되는데 걸리는 시간은 나노초(nanosecond)이고 정공이 여기전자와 결합하기 위해 이동하는 시간은 마이크로초 (microsecond)이므로 큰 비율로 전자-전공의 결합에 의한 손실이 일어나지는 않지만, 만일 이러한 반응이 일어나면 전지의 효율이 나빠지게 된다.
일반적으로 염료에서 반도체 입자로 전자가 주입되는데 걸리는 시간은 나노초(nanosecond)이고 정공이 여기전자와 결합하기 위해 이동하는 시간은 마이크로초 (microsecond)이므로 큰 비율로 전자-전공의 결합에 의한 손실이 일어나지는 않지만, 만일 이러한 반응이 일어나면 전지의 효율이 나빠지게 된다. 3) 반도체 산화물 입자의 전도띠에 있는 전자가 산화환원쌍과 재결합하지 않아야 한다. 이를 위해서는 반도체 산화 물 입자와 전해질간의 직접 접촉을 최소화해야 하는데 실제적으로 염료분자가 반도체 산화물의 표면을 모두 가리지 못하므로 많은 표면들이 전해질과 직접 접촉하게 된다.
이를 위해서는 반도체 산화 물 입자와 전해질간의 직접 접촉을 최소화해야 하는데 실제적으로 염료분자가 반도체 산화물의 표면을 모두 가리지 못하므로 많은 표면들이 전해질과 직접 접촉하게 된다. 4) 전자를 전달하여 산화된 염료가 산화환원쌍으로부터 전자를 받아 다시 환원될 동안 에 분해되지 않아야 한다. 각 주요 요소별 상세설명 은 뒤에서 다루기로 한다.
그 당시의 빛 전환 전류 효율은 고작 1~2% 정 도였으며 본격적인 태양전지 연구는 1940년대 이후 고효율 실리콘 반도체 태양전지가 개발됨에 따라 시 작되었다. 실리콘 반도체 태양전지는 20% 이상의 매우 높은 태양광 발전 효율을 나타내었고, 화석연료를 대체할 차세대 에너지로서 각광을 받게 되었다. 또한 실리콘 태양전지 개발을 시작으로 1970년대 말 구리 계 및 카드뮴계의 물질들이 태양전지의 소재로서 개 발되어 왔다.
5,lOOmW/cn?)을 기록하였다26,27). 이러한 결과는 염료 의 분자구조의 적절한 튜닝을 통해 지금까지의 광전 효율을 뛰어넘는 고효율 태양전지의 제조가능성을 높 여주는 결과이다. 또한, 반도체 양자점 (semiconductor quantum dots)을 광감응제로 이용하면 다양한 색을 가진 태양전지를 구성할 수 있다.
또한 흥미롭게도 실험실 조건에서의 에너지 전환효율은 실 리콘 반도체 태양전지에 비해 다소 낮은 결과를 나 타내지만, 최근 일본에서 발표된 내용에 따르면 반 년 이상의 옥외 테스트 결과 동일한 출력의 단결정 실리콘 반도체 태양전지 모듈에 비해 염료감응 태양 전지 모듈의 발전량이 약 40% 가량 높은 것으로 관 측되었다5). 이러한 결과는 태양광의 입사각도 및 강 도 등에 큰 영향을 받는 실리콘 반도체 태양전지에 비해 상대적으로 안정적인 광기전 효과를 나타내는 염료감응 태양전지의 특징을 나타내며 염료감응 태 양전지의 상용화 가능성을 높여주는 결과이다. 그러나 염료감응 태양전지의 상용화를 위해서는 향후 내 구성 향상 및 성능대비 제조단가의 절감 등의 문제점 들을 해결해야 할 것이다.
고체 고분자 전해질을 이용한 태양전지의 제조 시에는 전해질과 전극과의 계면특성 조절 및 전 해질의 이온전도도 향상이 중요한 의미를 가진다. 최근 본 연구단에서는 고분자 전해질과 전극과의 계면 접촉 특성 및 이온전도도를 개선함으로서 고체 고분 자 전해질 염료감응 태양전지의 효율을 기존 1.6%에서 4.5%(AM1.5, 100 mW/cm2) 으로 향상시킨 연구결과를 발표하였다(그림 14)34-37). 전극과 고분자 매질 과의 전기화학적 접촉특성 및 이온전도도의 향상이 이루어진다면 향후 염료감응 태양전지의 상용화 전 망은 더욱 밝아질 것으로 기대되어진다.

후속연구

이러한 결과는 태양광의 입사각도 및 강 도 등에 큰 영향을 받는 실리콘 반도체 태양전지에 비해 상대적으로 안정적인 광기전 효과를 나타내는 염료감응 태양전지의 특징을 나타내며 염료감응 태 양전지의 상용화 가능성을 높여주는 결과이다. 그러나 염료감응 태양전지의 상용화를 위해서는 향후 내 구성 향상 및 성능대비 제조단가의 절감 등의 문제점 들을 해결해야 할 것이다. 상기 이온전도체를 사용한 염료감응 태양전지 외에도 홀전도체 (hole conductor)를 사용한 고체형 이질접합(heterojunction) 염료감응 태양 전지와 반도체 고분자 태양전지 역시 최근 세계적으 로 많은 연구 및 개발이 진행 중이다.
특히 소재 및 제조공정이 환경친화 적이며 제조단가 역시 저렴하여 향후 다양한 응용 가능성을 가지고 있다. 또한 본 총설에 소개된 염료 감응 태양전지의 각 요소 별 성능이 최적화되면 머 지않아 실용화가 가시화될 것으로 확신된다. 이미 일본, EU 및 미국 등 각 선진국에서는 염료감응 태양전지의 상용화를 위한 원천기술을 확보하고 상 용화 준비단계에 접어들었다.
이상과 같은 나노결정 반도체 입자 및 다공층 형 성제어 기술의 진보는 현재 답보상태에 있는 염료감 응 태양전지의 광전변환 효율을 향후 크게 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.
5, 100 mW/cm2) 으로 향상시킨 연구결과를 발표하였다(그림 14)34-37). 전극과 고분자 매질 과의 전기화학적 접촉특성 및 이온전도도의 향상이 이루어진다면 향후 염료감응 태양전지의 상용화 전 망은 더욱 밝아질 것으로 기대되어진다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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