新염료로 차세대 태양전지의 효율을 10%까지 끌어올리다

□ 유 · 무기물이 복합된 반도체 염료로 매우 얇은(백만분의 1미터 이하) 산화물전극을 이용해 광전변환 효율*을 극대화한(10%에 가까운, 기존 2배 이상) 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 효율은 높으면서 가격은 저렴한 차세대 박막 태양전지** 개발에 기반을 마련하였다.

*) 광전변환 효율 : 햇빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산함. 기존 반도체염료감응형 태양전지는 최대 5~6%의 효율을 나타냄

**) 차세대 박막 태양전지 : 염료감응형 태양전지(염료 이용), 유기박막 태양전지(유기고분자와 풀러렌 이용) 등

○ 성균관대 박남규 교수(52세)가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수* 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자(도약연구) 및 글로벌박사펠로우십사업의 지원으로 수행되었고, 세계 최고 과학전문지 ‘네이처’의 자매지인 ‘Nature Scientific Reports’최신호(8월 21일자)에 게재되었다. (논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%)

*) 마이클 그랏첼(Michael Gratzel) 교수 : 세계 최초로 염료감응형 태양전지(DSSC)를 개발한 연구자

□ 무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로서, 최근 전 세계적으로 값싸면서도 효율 높은 차세대 박막 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다.

○ 그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮아 초박막화가 어려워* 효율을 높이는데 한계가 있었다. 이를 해결하고자 최근 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점**을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려고 시도하고 있지만, 지금까지 최대 5~6%의 효율로, 상용화를 위해선 여전히 부족한 실정이다.

*) 염료를 흡착하는 산화물층이 최소 10마이크로미터(백만분의 1미터) 이상의 두께여야 함

**) 양자점 : 나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정

□ 박남규 교수 연구팀은 매우 작은(수 나노미터) 반도체(유무기하이브리드반도체) 염료를 매우 얇은(0.6마이크로미터) 이산화티타늄 필름에 흡착해, 표준 태양광조건*에서 세계 최고 효율(9.7%)의 박막 태양전지를 개발하였다.

*) 표준 태양광조건: 태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1cm2당 100mW 조건(1태양조건)

○ 박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트* 염료를 스핀 코팅하여 매우 빠른 시간(1분 이내) 내에 흡착할 수 있어, 장시간(12시간 이상)이 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장된다.

*) 페로브스카이트 : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로, A양이온은 X음이온과 12배위를 하고, B는 X와 6배위를 함

○ 또한 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월하다.

□ 박남규 교수는 “염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한(그리드패러티*) 차세대 태양전지를 개발할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.

*) 그리드패러티 : 태양광 등 대체에너지로 발전하는데 드는 비용이 화석연료와 같아지는 시점

<자료문의>

☎ 02-2100-6829, 교과부 기초연구지원과장 염기수, 사무관 송영동
☎ 031-290-7241, 성균관대학교 화학공학부 박남규 교수