일본의 염료감응형 태양전지 연구개발 동향

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-31

석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석연료의 의존도를 줄이는 한편, 태양광 및 풍력과 같은 재생가능에너지를 기본으로 하는 저탄소사회의 실현을 위해 노력하고 있다. 일본에서는 태양광 발전의 도입량을 2020년에 현재의 10배, 2030년에 현재의 40배로 대폭 증가시키는 것을 목표로 하고 있다. 또한 태양광발전을 2030년까지 주요 에너지 중 하나로 발전시키는 것을 목표로 기술개발 지침인 “태양광발전 로드맵(PV2030)”이 신에너지 산업기술 종합개발기구에 의해 책정되었다. 일본의 염료 감응형 태양전지의 연구개발 동향은 다음과 같다. (1) 광전극 염료의 흡착기체(吸着基?)로서 다공질 구조를 가진 나노사이즈 이산화티탄(TiO2) 입자에서 광전극이 구성된다는 것이 염료감응형 태양전지의 특징 중 하나이다. 입자경이 다른 이산화티탄층을 배열함으로써 보다 뛰어난 빛을 모으는 효과를 얻을 수 있으며, 별모양의 산화티탄입자의 이용한 광산란을 성공시켜 10%를 넘는 셀 변환 효율을 얻고 있다. 또한, TiCl4에 의한 표면처리로 넓은 파장영역에서 변환효율이 향상되었다. TiO2 나노튜브의 형태 제어에 의한 이산화티탄에서 전해질용액의 전자누출을 제어하는 연구가 수행되고 있다. (2) 염료 염료감응형 태양전지는 염료를 이용함으로써 태양광 스펙트럼에서 이용할 수 있는 파장역을 넓게 할 수 있게 한다. 따라서 염료의 역할은 본질적으로 중요하다. 염료감응형 태양전지에 최초로 이용된 염료는 카르복실기를 가진 루테늄(Ru)의 비피리딘(bipyridin) 착체(錯?)이었다. 이 염료는 800nm까지 파장영역의 가시광을 높은 효율로 흡수할 수 있으며, 또한 카르복실기에 의해 화학적으로 이산화티탄 입자 표면에 결합하기 위하여 염료로부터 이산화티탄으로의 전자주입이 원활한 이점이 있다. 한편, 치환기를 바꿔 900nm까지의 스펙트럼을 흡수하고, 입사단색광 당 광변환 효율이 80%로 높은 통칭 black dye라고 불리는 염료를 발견하였다. 이 염료를 이용한 셀이 현시점에서 최고성능을 발휘하고 있다. 루테늄은 고가의 금속으로 루테늄을 포함하지 않는 염료 개발도 추진되어 왔으나, 현재 루테늄을 뛰어넘는 성능을 발휘하는 것은 보고되어 있지 않다. 다만 쿠마린(coumarin)계 유기화합물은 금속원소를 포함하지 않음에도 불구하고 8%정도 변환효율을 발휘하였다. 더욱이 카르바졸(carbazoles) 염료에서는 셀 변환 효율과 수명이 향상되었다. 염료의 안정성에 대해서도 검토가 진행되고 있으며, 루테늄계 염료의 턴오버(turn over, 한 개 염료 당 광전 변환 회수)는 5000만회 이상이며, 이것은 10년간의 광조사(光照射)에 해당된다. (3) 전해액 염료감응형 태양전지의 전해액은 산화환원전위(redox potential)가 전지 양극의 전위(電位)를 결정한다. 또한, 산화환원반응에서 물리적 확산에 의한 전해액 중의 전자이동을 가능케 하기 위해서 전해액은 반드시 필요하다. 지금까지 아세토니트릴에 요오드이온과 요오드를 용해시킨 용액계 전해액의 성능이 가장 높은 변환효율을 발휘해 왔다. 그럼에도 불구하고 아세토니트릴은 증기압이 낮기 때문에 증발하기 쉬우며, 고온 및 장기간 사용으로 변환효율이 저하된다. 그래서 전해액을 셀 내에 봉인하는 기술 개발이 진행되어 왔다. 또한, 셀의 물리적 파손 등을 고려하면 전해액의 고형화도 필요하다. 비휘발성 이온성 액체와 겔을 조합시킨 반고체 전해액을 이용함으로써 7%를 넘는 변환효율이 보고되었다. 또한, 전해액의 전(全) 고체화를 목표로 하여 Cul과 CuSCN 등의 무기화합물을 이용하는 연구, 폴리피롤(polypyrrole) 등의 전도성 고분자, 트리페닐디아민 등의 저분자와 Ome-TAD(유리 전이 온도가 높은 비결질의 정공(hole) 운송제) 등의 비경질의 유기화합물을 이용하는 연구도 진행되고 있다. (4) 대항전극 대항전극은 광전극에서 발생하여 외부회로를 통하여 운반되어 온 전자를 전해액 속으로 되돌리는 역할을 담당하고 있다. 전해액이 부식성이기 때문에 내식성과 함께 전해액 중의 요오드를 요오드이온으로 환원할 때 반응속도가 높은 것이 요구된다. 지금까지 양자의 밸런스를 고려하여 도전성 유리 기판 위에 백금(Pt)를 코팅한 전극이 이용되고 있다. 고가의 Pt를 대체하기 위해서 카본전극과 도전성 폴리머의 이용도 검토되고 있으나, 환원반응속도라는 점에서 Pt보다는 성능이 떨어진다. (6) 셀화, 모듈화 보다 뛰어난 염료감응형 태양전지를 얻기 위해서는 당연히 셀로서 디바이스화할 때의 종합성능을 향상시킬 필요가 있다. 셀의 구성 각 요소의 손실분을 내부저항 해석에 의해 밝혀, 손실분을 줄이기 위한 접근을 하여 현 시점에서 세계 최고성능을 발휘하도록 구성하였다. 또한, 일본 산업기술종합연구소에서는 복수의 셀을 텐덤화(적층화)에 의한 변환효율을 11%까지 향상시키는 데 성공하였다. 셀을 광 나노섬유로 둘러쌈으로써 효율 향상을 도모하는 노력을 하고 있다. 그리고, 유리기판을 플라스틱으로 바꿈으로써 접을 수 있는 전지를 연구하고 있다. 태양전지의 출력을 향상시키기 위해서는 빛과 접촉되는 면적을 크게 할 필요가 있다. 그러나, 일반적으로 단일 셀을 대형화하면 기판 저항이 커지기 때문에 단위면적 당 출력이 대폭 저하된다. 그래서 복수의 셀을 연결하여 대형화(모듈화)할 필요가 있다. 지금까지 셀 사이를 접속하는 여러 가지 방법이 검토되어 오고 있다. 그리드 배선형으로 제작된 모듈에서는 9.0%의 변환효율이 실현되었다. 출처 : http://www.nistep.go.jp/index-j.html