염료감응태양전지의연구동향 조효정 황대규 김대환 강진규 DGIST 태양에너지융합연구센터 The Technology Development of Dye Sensitized Solar Cells Hyo Jeong Jo, Dae-Kue Hwang, Dae-Hwan Kim, and Jin-Kyu Kang Convergence Research Center for Solar Energy, DGIST Abstract: 화석연료의대량소비에의한온난화와대기오염등지구환경문제와에너지문제는 21 세기에도인류의제일중요한과제로될것이다. 태양전지는깨끗하고무한한태양에너지를가장효율적인에너지형태로직접변환하기때문에지구상어느장소에서도이용가능하며, 에너지, 환경의가장근원적인해결책이될것으로기대되고있다. 그러나이러한열망에도불구하고태양전지의폭넓은보급을위해서는가격경쟁력을확보하는것이무엇보다중요하며, 염료감응태양전지는기존의박막태양전지에비해값싸게, 친환경소재들로제조할수있다는가능성으로인해큰주목을받게되었다. 특히나노입자크기의산화물반도체를이용하기때문에약한광, 흐린날에도다른태양전지들에비해고효율을낼수있다. 또한, 염료구조의다변화를통한태양전지의컬러화구현이가능한장점을가지고있기때문에매우경쟁력있는소자로서학계및산업계의비상한관심을모으고있다. 비록염료감응태양전지의효율은실리콘태양전지대비절반수준에불가한수준이지만, 제조단가를 5 분의 1 로낮출수있다는점에서많은기업들이관심을가지고있다. 본논문에서는향후상업적및학문적발전가능성이무궁무진한염료감응태양전지에대하여구조와원리및연구동향에대하여기술하고자한다. Keywords: Dye sensitized solar cells, Indoor generation type, BIPV (Building Intergrated Photovoltaic System) 1. 서론 1) 태양전지는태양의빛에너지를전기에너지로전환하는장치로, 태양광발전시스템의핵심부품이다. 태양전지는 P-N 접합으로구성된반도체소자로반도체의밴드갭보다큰에너지의빛이입사되면반도체내부에전자-정공쌍이생성되고, 생성된전자-정공쌍이 P-N 접합부에형성되어있는전기장에의해서로반대방향으로이동하면서외부에연결된도선에전류가흐르게된다. 태양광발전을위해서는태양전지셀여러장을직렬로연결하여패널형태의모듈로제작하고, 이러한모듈을직병렬로연결하여설치하게된다. 태양전지는빛을흡수하는소재의종류에따라 Si계, 화합물반도체계, 유기계등으로분류될수있으며, 주저자 (E-mail: apollon@dgist.ac.kr) 종류에따라서는 1세대 ( 결정질실리콘 ), 2세대 ( 실리콘박막, CIGS 및 CdTe 박막 ), 3세대 ( 염료감응, 유기 ) 및차세대 ( 양자점, 플라즈몬등 ) 로분류할수있다. 2. 염료감응태양전지의구조및작동원리염료감응태양전지 (DSSC) 는태양으로부터입사되는에너지의약 44% 에해당하는가시부파장영역의광을효과적으로이용하기위하여가시부에선택적광흡수대를가지는염료와염료로부터여기된전자이동을담당하는 wide bandgap 반도체인 TiO 2 (bandgap : 3.2 ev) 역할이분리되어있다. 다른태양전지에비해비교적간단한소자구조를가지며제작방법또한간단하고, 사용하는소재또한친환경적이어서향후많은발전가능성을내포하고있다. 염료감응태양전지는식물의 KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 25
Table 1. 태양전지종류및특징 실리콘계 화합물계 유기계 종류특징변화효율단계 결정계 박막계 CIGS 계 CdTe 계 집광계 염료감응 유기박막 페로브스카이트 단결정 Si 기판이용 장점 : 성능, 신뢰성 과제 : 저가격화 a-si 이나미세결정박막을기판위에형성 장점 : 대면적으로양산가능 과제 : 효율낮음 Cu, In, Se 등을원료로하는박막형 장점 : 자원절약, 양산가능, 저가격 과제 : In 의자원량 Cd, Te 을원료로하는박막형 장점 : 자원절약, 양산가능, 저가격 과제 : Cd 의독성 3 족과 5 족원소로된화합물다접합집광기술적용 장점 : 초고성능 과제 : 저가격화 TiO 2 에흡착된염료가광을흡수하여발전하는새로운타입 장점 : 저가격화가능성 과제 : 고효율화, 내구성 유기반도체를이용하는박막형 장점 : 저각격화가능성 과제 : 고효율화, 내구성 Pb, I 가유기물에결합된유무기하이브리드박막형 장점 : 고효율화 과제 : Pb 의독성, 내구성 ~20% ( 단결정 ) ~15% ( 다결정 ) 실용화 ~9% ( 비정질 ) 실용화 ~14% 실용화 ~13% 실용화 셀효율 ~38% 셀효율 ~14% 셀효율 ~12% 셀효율 ~23% 실용화 연구단계 연구단계 연구단계 광합성원리를응용한소자로엽록체에서빛에너지를흡수하는기능의색소를결합시켜태양전지에적용한경우이다. 염료감응태양전지는태양광흡수용염료고분자, n형반도체역할을하는넓은밴드갭을갖는반도체산화물, p형반도체역할을하는전해질, 촉매용상대전극, 태양광투과용투명전극을기본으로한다. 이전지가기존의태양전지와다른근본적인차이점은기존의태양전지에서는태양에너지의흡수과정과, 이과정에서형성된전자-정공쌍이분리 / 이송되는과정이전지내부의전위차에의해반도체내에서동시에일어나지만, 염료감응태양전지는태양에너지의흡수는염료가담당하고, 생성된전자-정공의분리 / 이송은전자농도차에의해확산하는방식으로반도체나노입자에서이루어진다. 염료감응태양전지의기본구조는 Figure 1에서보는것과같이투명기판의샌드위치구조를갖는다. 전지내 부는투명기판위에코팅된투명전극, 그위에접착되어있는나노입자로구성된다공질 TiO 2, TiO 2 입자의표면에코팅된염료분자, 두전극사이에 30~100 µm 두께의공간을채우고있는산화 / 환원용전해질용액, 그리고전해질환원용상대전극으로구성되어있다. 태양광이전지에입사되면투명기판과투명전극을투과한광양자는염료에의해흡수된다. 염료는태양광흡수에의해여기상태가되면서전자를생성하고, 이렇게생성된전자는 TiO 2 전도대로이송되어투명전극을통해외부회로로흘러가서전기에너지를전달하게된다. 태양광흡수에의해산화된염료는전해질용액으로부터전자를공급받아원래상태로환원된다. 이때사용되는전해질은주로 I - /I - 3 의산화 / 환원쌍으로써상대전극으로부터전자를받아염료에전달하는역할을담당한다 [1]. 26 공업화학전망, 제 20 권제 2 호, 2017
염료감응태양전지의연구동향 Figure 1. ( 좌 ) 염료감응태양전지구조 ( 우 ) 염료감응태양전지작동원리및에너지레벨모식도. Figure 2. 염료감응태양전지특징. 3. 염료감응태양전지특징일반적인 PN접합태양전지와는다른고체 / 액체접합광전기화학기반유무기복합태양전지인염료감응태양전지는다음과같은특징을가지고있다. 1) 입사각효과 : Si 태양전지는입사각의변화에대하여민감하게반응하여입사각에따라효율감소가두드러지지만, DSSC는입사각에따라효율의감소분이거의없다. 이와같은특징으로흐린날혹은아침과저녁의발전량이타태양전지대비높게나타나므로상대적으로낮은효율임에도불구하고일간총발전량이우세하게나타나고있다. 이로인해태양전지입사각제어가불가능한건물벽면및북향의건물에응용이적합하다. 2) 온도효과 : Si 태양전지는상온인 25 에서 45 로상승하면효율이 10% 이상감소한다. 그러나염료감응태양전지의경우온도증가에따라효율이증가하는데, 45 까지온도가증가하면 5% 이상증가하게된다. 3) 그림자효과 : Si 태양전지의경우그림자등에의한광량감소에민감하여전력생산이감소하게되지만, 염료감응태양전지의경우전기화학 태양전지가가지는높은정전용량으로인하여광량에따른발전량응답속도가느려그림자효과에의한발전량의감소가크지않다는장점이있다. 4) 약한광량하발전 : Si 태양전지를비롯한 PN접합태양전지는광강도가낮은약한광량상태에서는태양전지다이오드저항이매우높은상태로되어발전량이급속히감소하지만염료감응태양전지는고분산성나노입자로이루어져있어약광발전특성이우수하다. 이를이용한실내발전응용도가능하므로태양전지의응용범위확대가가능하다. 이러한염료감응특징은향후발전용 Si 태양전지와궁극적으로경쟁이가능하다는측면에서중요한특성으로분류되며낮은발전단가를고려하면뛰어난경제성을내포하고있다고판단되는근거가된다. 또한염료감응태양전지의입사각특성, 약광발전특성, 그림자특성등은염료감응태양전지의가장유력한시장으로예상되고있는건자재일체형태양전지 (BIPV) 에적합한태양전지로서기대를모으고있다. KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 27
Table 2. TiO 2 광전극의종류와그특성 분류종류장점단점 0 차원 1 차원 나노입자 Core-shell 구조 나노선, 나노튜브, 나노로드, 나노섬유, 나노스핀들 2 차원나노메시, 나노시트 높은표면적높은광흡수및산란 낮은전자재결합속도에너지밴드구조조절높은개방전압 높은전자전달속도높은광전류밀도 높은전자전달속도유연성빛의산란효율향상 낮은전자전달속도긴전자이동경로 제조의어려움염료흡착에불리낮은광전류밀도 낮은표면적전자재결합제어에불리 낮은표면적비교적낮은효율 3차원 계층구조, 마이크로볼, 광결정구조 빛의산란효율향상전해질공간확보 낮은표면적 전자전달속도향상 혼합 나노튜브 / 나노입자, 나노선 / 나노입자 1차원구조의낮은표면적을나노입자로보완 최적화의어려움 4. 염료감응태양전지기술개발동향 4.1. 광전극 TiO 2 는크게 rutile, anatase, brookite 세가지의상을지니고있으며이들구조는모두 TiO 6 8면체로구성되어있다. 구조의차이는 8면체의격자왜곡과이들 8면체의연결패턴이다. Rutile 구조에서개개의 TiO 6 8면체는 10개의다른 8면체와접촉하고있고, anatase는 8개의다른 8면체와접촉하고있다. 전체적으로 rutile이 anatase보다격자왜곡이덜하여대칭성이높다. TiO 2 의물리적성질에가장큰영향을미치는요소중하나는 TiO 6 8면체내의 Ti-O 결합길이이다. 즉팔면체의배열과 Ti-O 결합길이의차이가만드는구조적효과가결국염료의흡착과 TiO 2 의전자구조적특성에영향을미쳐, 대칭성이낮고왜곡이심한 anatase가 rutile보다높은효율을가져오는것이다. 특히 anatase상 TiO 2 의밴드갭 (3.2 ev) 이 rutile 상 TiO 2 의밴드갭 (3.0 ev) 보다큰것으로알려져있어, 염료감응태양전지에서보다높은개방전압을나타내고, 재결합속도도 rutile 쪽이더빨라, anatase상 TiO 2 가더좋은효율을가져온다. 특히염료감응태양전지의광전극의특성은입자의상뿐만아니라, 크기, 모양, 응집상의형태등형상과깊은관련을지니고있다. 형상과관련하여효율 에영향을미치는주요한작용인자는광전극을통한전자의전달과광전극표면에서의염료의흡착, 그리고염료에서광전극으로전달된전자의재결합, 빛의산란효율등이다. TiO 2 광전극의종류와그특성을 Table 2에나타내었다. 특히염료를흡착할수있는전극소재는밴드갭에너지가큰반도체나노결정 ( 약 20 nm) 산화물을주로사용하는데이것은입자크기감소에의한비표면적증가로보다많은양의광감응염료분자를흡착시킬수있기때문이다. 입자의크기가수나노미터이하로지나치게작게되면염료흡착량은증가하지만, 반면표면상태수가증가하여재결합자리를제공하게되는단점도있다. 따라서입자크기, 형상, 결정성그리고표면상태를조절하는기술은염료감응태양전지에서중요한연구이다. 고성능광전극소재제조를위하여계면의전자전달방해를최소화하는나노선이나나노튜브와같은 1차원구조에대한연구가지속적으로이루어지고있다. 광전극을통한전류의양은흡착된염료의양에비례하고, 이는광전극의표면적과깊은연관이있기때문에표면적향상기술로광전극입자의표면에거칠기를증가시키거나, 3차원적인계층구조 (hierarchical structure) 를도입하는방법이제시되고있다 [2]. 28 공업화학전망, 제 20 권제 2 호, 2017
염료감응태양전지의연구동향 Figure 3. 폴리스틸렌이채워진 TiO 2 광전극과선택적흡착 / 탈착을통한탄뎀형염료감응태양전지 [3]. 4.2. 탄뎀구조염료감응태양전지의큰단점중하나가넓은광파장영역을흡수하는만능염료가없다는것이다. 이를극복하기위한대안이단일염료에서는찾기힘들것으로생각된다. 이때문에여러염료를조합하여사용하는태양전지가필연적으로관심을받고있다. 이때문에최근광전극을다층으로만들고, 각층마다서로다른염료를사용하는, 판크로마틱 (panchromatic) 탄뎀태양전지가주목을받고있다. 판크로마틱태양전지를만들기위해서는 TiO 2 광전극에두께방향으로각층마다다른염료가들어가야하므로, 광전극의제작공정과염료의흡착공정이혼재하는특별한공정이필요하다. Figure 3에서보이는것처럼, 이들은폴리스틸렌이채워진 TiO 2 광전극을고정상으로사용 하고, bronsted 기반의고분자용액을이동상으로사용하는칼럼크로마토그래피개념을도입하여, 염료를선택적으로흡착, 탈착시키는방법으로황색, 적색, 녹색의염료를분리하여흡착시킬수있었다 [3]. 판크로마틱탄뎀염료감응태양전지를이용하여고효율을얻는것은먼저빛이도달하는염료층에서빛의흡수가먼저일어나기때문에다음염료층에도달하는광손실이발생하여전체적으로는효율이향상되지않을수도있다. 그러므로빛이먼저도달하는상부층광전극의두께및투과도가잘조절되어야하며복수의광전극층이전기적으로직렬또는병렬의회로를형성하기때문에개방전압과단락전류가잘조절되어최적의회로를형성하도록하여야전자손실이최소화될 KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 29
Figure 4. 염료의리간드구조에따른염료색상의변화. 수있다. 이러한문제들때문에실제염료감응태양전지뿐만아니라대부분의탄뎀태양전지의효율이개개의태양전지의합보다못하거나, 때로는단일층태양전지보다낮은효율을얻게된다. 이를극복하기위해서는각층의광전극두께, 염료의종류, 투과도등의제반인자들을엄밀하게조절하여야한다. 4.3. 상대전극염료감응태양전지에서상대전극으로가장많이사용되고있는물질은백금 (Pt) 으로우수한특성을보인다. 용액또는페이스트상태로제작된백금이포함된물질을기판위에도포하고열처리함으로서간단하게제작된다. 백금전극은나노선의상태로기판위에형성되므로그사용량도매우적어, 경제적으로도부담이크지않은편이다. 그러나향후백금이연료전지와같은다양한곳에사용되어가격이상승하고, 나노페이스트로제작되어양산공정에들어가면그비용이만만치않은것으로알려져있다. 특성면에서도백금은염료가전해질에일부라도용해되어들어가면, 착화합물을형성하여급격히성능이나빠지는문제가있고, 표면적이적어전극의일부라도촉매활성을잃어버리면전체태양전지의효율이저하되는등의장기안정성면에서는개선의여지가있다. 이때문에백금대체상대전극에대한연구가진행되어왔으나, 광전극이나전해질, 염료와같은다른태양전지구성물질에비해그리많이보고되지는 않고있다. 현재유용한백금대체상대전극으로는탄소나노튜브 (CNT) 와그래핀 (Graphene) 등의보고가있다 [4,5]. 4.4. 염료염료감응태양전지에사용되는염료는루테늄계유기금속화합물, 유기화합물로알려져있다. 염료감응태양전지용염료가갖추어야할조건은가시광선전영역의빛을흡수할수있어야하며, 나노산화물표면과견고한화학결합을이루고있어야하며, 열및광학적안정성을가져야한다. 초기단계에서는루테늄계유기금속화합물이우수한것으로보고되었으나, 현재로는루테늄화합물과비슷한효율의 silane계유기염료가개발되었다 [6]. 4.4.1. 유기금속염료태양전지용루테늄계염료는중심금속루테늄주위에피리딘계와 SCN 리간드가배위되어있다. 피리딘고리가 2 4개로증가하면 MLCT (Metal Ligand Charge Transfer, 금속에서리간드로전하이동 ) 에해당하는피크가장파장으로이동하게되는데주로루테늄금속의 MLCT 현상을통한전색체흡수향상에초점을두고다양한전자주게및전자받게리간드들의도입을통한최적화된구조의선택및성능향상에대한연구가활발히진행되었다. 루테늄계염료중에서대표적인것으로바이피리딘리간드를가지는붉은색을띄는 N3 ( 수소가 4개있으며, 이중 2개가테트라부틸 30 공업화학전망, 제 20 권제 2 호, 2017
염료감응태양전지의연구동향 Figure 5. 염료감응태양전지의대표적인유기염료조합군. 암모늄이온 (TBA) 으로치환된것을 N719라명명함 ) 와테트라피리딘리간드를갖는 N749 염료가있다. 비록 Ru(II) 염료와같은유기금속염료의광전변환효율이 11% 이상의고효율을나타내고있지만, Ru 금속의한정된자원과최근전세계적으로환경에대한관심과제한적인응용성을고려했을때높은몰흡광계수, 낮은가격, 다양한응용성을가진유기염료의개발이필요하다. 4.4.2. 유기염료유기염료는흡광효율이높아서빛을잘흡수할수있고, 다양한구조의분자설계가용이하여흡수파장대를자유롭게조절할수있으며유기금속염료보다저가로합성할수있는장점이있다. 그러나, 유기금속염료에비해내구성이낮으며유기분자의특성상분자간인력에의한 stacking이쉽고, 광흡수후여기상태수명이짧고, 가시광선영역의흡수파장대폭이좁아전파장대의빛을흡수하기어렵다는단점을가지고있다. 이를극복하기위해서공흡착체 (co-adsorgent) 로서 deowycholic acid (DCA) 를활용하여 stacking을방지하고, 친수성전해질과의재결합을방지하기위해염료의외면을소수성기로치환하여내구성을높이고, 다양한콘쥬게이션유닛을도입하여넓은파장영역을흡수하는다양한기능성유기염료의개발이진행되었다. 유기염료의일반적구조는전 자주게 (donor)-스페이서(conjugation)-전자받게 (acceptor) 로이루어진다. 전자주게는 coumarine, fluorene, triphenylamine, porphyrine 등을사용하고, 스페이서로 thiophene 계열그리고전자받게로 acrylic acid 등을사용한다. 대표적인유기염료의조합은다음과같다. 다양한전자주게와전자받게그리고콘쥬게이션의조합으로밴드갭조절, 염료와전해질의재결합을방지하기위한소수성기능성기를도입한유기염료및판상형태의염료개발을통해루테늄계보다우수한유기염료가발표되고있다 [6,7]. 4.5. 전해질전해질은염료감응태양전지의내구성향상뿐만아니라연속제조공정에서중요한역할을한다. 전해질은주로이온전도도향상을통한에너지변환효율향상과내구성향상을중요한연구목표로하고있다. 아울러계면에서의전자전달에대한이해와에너지변환효율향상방법에대한연구가활발히진행중이다. 염료감응태양전지에서전해질은 I - /I - 3 와같이산화-환원종으로구성되어있으며, I - 이온은리튬아이오딘, 소듐아이오딘, 알칼리암모늄요오드또는이미다졸리움요 - 오드등이사용되며, I 3 이온은 I 2 를용매에녹여생성시킨다. 전해질의매질은아세토니트릴과같은액체또는 PVDF와같은고분자가사용될수있다. I - 는염료분자에전자를제공하는역할을하고산화된 I - 3 는상대전극에도달한전자를받아다시 I - 로환원된다. 액체형의경우산화-환원종이매질내에서신속하게움직여염료의재생을원활하게도와주기때문에높은에너지변환효율이가능하지만, 전극간의접합이완전하지않을경우누액의문제를가지고있다. 반면고분자를매질로채택할경우에는누액의염려는없지만산화-환원종의움직임이둔화되어에너지변환효율에나쁜영향을줄수있다. 기본적으로염료감응태양전지의광특성개방전압, 단락전류, 충진인자, 광전변환효율, 장기안정성등은전해질의선택에큰영향을받게되며, 따라서우수한태양전지성 KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 31
Table 3. 염료감응태양전지에적용가능한전해질의종류와특징 액체전해질 이온성액체전해질 준고체고분자전해질 고체고분자전해질 구분 유기용매 + 염 이온성액체 + 염 고분자 + 염 + 유기용매 고분자 + 염 이온전도도 높음 (~10-2 S/cm) 높음 (~10-3 S/cm) 높음 (~10-3 S/cm) 낮음 (~10-5 S/cm) 광전변환효율 높음 높음 높음 매우낮음 장기안정성 나쁨 우수함 우수함 우수함 대표예 LiI + I 2 in acetonitrile I 2 in MHImI LiI + I 2 + MPN + (PVDF HFP) LiI + I 2 in PEO Figure 7. 염료감응태양전지고효율 TiO 2 구조체 (NREL Frank 박사팀 ). Figure 6. 스위스로잔공과대학교 (EPFL) 유리창설치형염료감응태양전지. 능과장기안정성을확보하기위해서는적절한전해질을선택하는것이무엇보다도중요하다. 염료감응태양전지에적용가능한전해질의종류와특징을나타내었다. 5. 염료감응태양전지연구기관동향 5.1. EPFL 스위스의 EPFL은원천특허및다수의핵심특허를보유하고있으며그라첼교수연구그룹을중심으로염료감응태양전지기술을선도하고있다. 연구분야는신규염료개발, 광전극나노소재개발, 신규전해질기술개발등핵심소재개발과고효율을위한신규셀구조기술개발등염료감응태양전지전분야를아우르고있으며, 세계각국에다양한분야의전문가를배출하고있다. EPFL의염료감응태양전지개발실적은염료감응태양전지의역사라할만큼기술을선도하고있다. EPFL 이주도적으로연구를이끌어가고있는부분은 염료, 전해질, 광전극으로여러분야에서연구가활발히이루어지고있다. 타연구기관이주로한분야에대해서만집중적으로연구하고, 논문을등재하는것과는확연히다른양상을보이고있다. 현재액체전해질조건에서 13% 를달성하고있다. 최근기존전해질이포함된액상염료감응태양전지의성능을뛰어넘는결과를도출하고있다. 5.2. NREL NREL은현재미국에너지성산하에위치한국립재생에너지연구소이다. 신재생에너지의거의모든연구를진행하고있으며그중가장활발히진행하고있는연구분야가태양전지분야로서미국의국가태양에너지개발로드맵기획의핵심기관이다. 특히 Frank 박사팀을중심으로고효율 TiO 2 paste 제조기술을보유하고있으며, TiO 2 구조의전자전달현상, 양자점태양전지, 전해질의확산과정등을심층적으로연구하고있다 [8]. 5.3. CIAC (Chanchun Institute of Applied Chemistry) 중국과학원소속의장춘응용화학연구소 (CIAC) 는주로유기염료와전해질만을집중적으로연구 32 공업화학전망, 제 20 권제 2 호, 2017
염료감응태양전지의연구동향 Figure 7. CIAC 개발모듈. 하고있으며 TiO 2 는 NREL과함께공동연구를진행중이다. 염료감응태양전지모듈뿐만아니라플렉시블용소재및기능성그래핀을제조하고있다. 5.4. IPP (Institute of Plasma Physics) 중국과학원소속의플라즈마물리연구소 (IPP) 는대면적화로제작한모듈을 Rooftop용으로상용화하기위해서현재개발하고있는셀, 서브모듈대면적모듈 (450 mm 800 mm) 에대한야외신뢰성평가를진행중에있다. 5.5. AIST (Advanced Industrial Science and Technology) 일본의대표적인태양전지연구기관인 AIST ( 산업기술종합연구소 ) 는 2008년 3월에광변환효율이 11% 에이르는텐덤형의염료감응태양전지를개발한바있다. 고효율화를위한텐덤화는상부셀의높은전류치를하부셀과매칭시키는것이어려워병렬로연결하여고효율화를달성할수있었다. 그러나염료감응태양전지의텐덤화는전해액이라는액상을상하부전지에정확하게분리하기위해서는투명전도층이삽입되는문제가있어상용화를위해고체형전해질및투명촉매전극재료의개발이진행중에있다. 6. 염료감응태양전지산업체동향 6.1. G24i power G24i는 2006년스위스의 EPFL로부터염료감응태양전지제조에관한라이선스를획득한후 2006년도말에 5 MW 급 pilot line을설립하여 metal foil 기판위에서롤투롤인쇄법을이용하여염료감응태양전지상업화에필요한기술을개발하면서소규모로제품을시생산해왔다. 2009년 10 월 MAscotte Industrial에세계최초로염료감응태양전지상업용제품을선적하는계약을체결하였다. G24i power는자사의플렉시블염료감응태양전지목표시장을다음과같은 3개 ( 모바일가전기기배터리충전용, 실내 DSSC 일체형제품용, 실내 BIPV용도 ) 의품목으로나누고분야별응용기술개발을진행중에있다. G24i power가생산하는제품은충전시트로휴대전화기충전용제품인데, 현재휴대용전화기의생산량은약 10억대에이르기때문에태양전지충전시트시장은무궁무진할것으로전망된다. 특히실내외에서전자기기용전원으로고려하고있어다양한광조사조건에서발전성능을평가하고관련한응용시제품을출시하고있다. 6.2. 이건창호건물창호전문업체인이건창호는 2006년부터솔라에너지사업을제2의도약을위한신성장동력사업으로선정하고회사의역량을집중하고있다. 이건창호는독일의슈코와기술제휴및공동연구활동을진행해오면서 2008년초에솔라에너지전용브랜드이건솔라윈 (EAGON SOLAR-WIN) 을런칭하고 BIPV 사업을적극적으로추진하고있다. 이건창호는 2008년부터염료감응태양전지를자체개발해왔으며 2009년 9월에는 300 mm 300 mm 염료감응태양전지시제품개발에성공하였다. 또한 2010년 12월국내에서는최초로염료감응태양전지창호시제품이건자재적합성을테스트통과한바있다. 2015년 3월에는국내최초로염료감응태양전지를적용한고단열 BIPV 창호제품을서울시인재개발원에성공리에시공을완료하였다. 염료감응태양전지가실제로건물에적용되어시공된사례는국내에서처음이다. 향후염료감응태양전지를조명에사용하는충전용제품및특후모듈을개발하는등염료감응태양전지기술 KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 33
Figure 8. G24i power 그룹의염료감응태양전지실용사례. Figure 9. 염료감응태양전지기술이결합된서울시인재개발원. 이적용될수있는상품군을확대할전략이다. DSSC는경량, 높은광투과성, 가격경쟁력등으로다양한용도에사용되는장점이있으나, 효율이낮고장기안정성이부족한단점이있다. 최근의주요기술개발트렌드는 DSSC의장점을이용하여산업적으로활용하기위한고효율화및상용화를위한대면적화가중요한이슈이다. 주요업체들의 BIPV제품등장으로 DSSC 시장은성장할것으로예상된다. 특히수년내에국내외업체의진출로, window 및 wall용 BIPV 제품이본격적으로시장에진입하면그성장은가속화될것으로예상된다. 감사 7. 결론 DSSC는비정질실리콘태양전지에버금가는에너지변환효율과낮은제조단가로높은관심을모으고있으며, 컬러및투명한특성으로건물외장 BIPV용태양전지로활용이기대되고있다. 본연구는산업통상자원부의재원으로부품소재산업경쟁력향상 ( 소재부품기술개발 ) 1단계사업 ( 과제고유번호 : 10037239) 과 2단계사업 ( 과제고유번호 : 10050966) 지원에의하여이루어진것입니다. 34 공업화학전망, 제 20 권제 2 호, 2017
염료감응태양전지의연구동향 참고문헌 1. D. Sengupta, P. Das, B. Mondal, and K. Mukherjee, Effects of doping, morphology and film-thickness of photo- anode materials for dye-sensitized solar cell application-a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60, 356-276 (2016). 2. Y.-J. Shin, K. S. Kim, N.-G. Park, K. S. Ryu, and S. H. Chang, Enhancement of photovoltaic properties of Ti-modified nanocrystalline ZnO electrode for dye-sensitized solar cell, Bull. Kor. Chem. Soc., 26, 1929-1930 (2005). 3. K. T. Lee, S. W. Park, M. J. Ko, K. K, Kim, and N.-G. Park, Selective positioning of organic dye in a mesoporous inorganic oxide film, Nature materials, 8, 665-671 (2009). 4. J.-E. Trancik, S. C. Barton, and J. Hone, Transparent and catalytic carbon nanotube films, Nano Lett, 8(4), 982-987 (2008). 5. G. Zhu, L. Pan, T. Lu, T. Xu, and Z. Sun, Electrophoretic deposition of carbon nanotubes films as counter electrodes of dye-sensitized solar cells, Electrochimic Acta, 56, 14869-14875 (2011). 6. K. Kakiage, Y. Aoyama, T. Otsuka, T. Kyomen, M. Unno, and M. Hanaya, An achievement of over 12 percent efficiency in an organic dye- sensitized solar cell, Chem. Commun., 50, 6379-6381 (2014). 7. S. Mathew, A. Yella, P. Gao, R. Baker, B. Curchod, N. Astani, I. Tavernelli, U. Rothlisberger, Md. K. Nazeeruddin, and M. Gratzel, Dye-sensntized solar cells with 13% efficiency achieved through the molecular engineering of porphyrin sensitizers, Nature chemistry, 6, 242-247 (2015). 8. K. Zhu, N.-R. Neale, A. Miedaner, and A.-J. Frank, Enhanced charge-collection efficiencies and light scattering in dye- sensitized solar cells using oriented TiO 2 nanotubes arrays, Nano Lett., 7(1), 69-74 (2007). 조효정 2008 영남대학교화학공학과학사 2010 영남대학교화학공학과석사 2010~ 현재 DGIST 연구원 김대환 1996 서강대학교화학공학과학사 1998 POSTECH 화학공학과석사 2002 POSTECH 화학공학과박사 2005 삼성전자책임연구원 2005~ 현재 DGIST 책임연구원 황대규 2008 GIST 신소재공학과박사 2010 Northwestern University 박사후연구원 2010~ 현재 DGIST 선임연구원 강진규 1991 서울대학교공업화학과학사 1993 POSTECH 화학공학과석사 1996 LG전자주임연구원 2000 POSTECH 화학공학과박사 2005 삼성전자책임연구원 2005~ 현재 DGIST 책임연구원 KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 35