[프라임경제]국내 연구진이 태양전지의 기술적 특징을 융합한 새로운 구조의 무기-유기 이종접합형 태양전지 제조 원천기술을 개발했다.
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한국화학연구원 화학소재연구단 석상일 박사 연구팀이 주도한 이번 연구는 염료감응태양전지의 발명자인 그래첼(Graetzel) 교수 연구팀(스위스 로잔공대)과 공동으로 교육과학기술부(장관 안병만)와 한국연구재단(이사장 박찬모)이 지원하는 글로벌연구실 사업의 지원을 받아 수행되었다. 연구 결과는 나노소재/소자 분야에서 저명한 과학 전문지인 “나노 레터스 (Nano Letters)” 온라인 속보(5월 28일자)에 주요 논문으로 게재되었다. 아울러 국내외 특허도 출원하였다.
석상일 박사 연구팀은 고효율 무기반도체박막태양전지의 장점과 저가의 유기태양전지의 장점을 염료감응태양전지 구조에 도입하는 방법으로 저가이면서 내구성이 뛰어난 태양전지 제조기술을 제시하였다. 기존 태양전지 기술은 효율이 높지만 고가인 반도체박막태양전지, 효율이 비교적 높고 저가가 제조가 가능하지만 액체전해질 사용에 의한 장기 안정성에 문제를 가진 염료감응태양전지, 저가로 제조가 가능하지만 광안정성이 낮은 유기태양전지가 있다.
연구진은 염료감응태양전지의 구조에 기반하여, 고효율 무기반도체박막태양전지의 무기반도체를 나노입자화(양자점 포함)하여 염료 대신에 광감응제로 사용하고, 유기태양전지의 전도성 고분자와 효과적으로 결합하는 방법에 의해 내구성이 우수하고 고효율이 가능한 차세대 태양전지 제조 원천기술을 개발하였다.
이번 연구를 통하여 g당 수십만원 하는 합성된 염료 대신에 단지 수십원하는 무기반도체나노입자용 원료를 사용하여 광흡수층을 용액상에서 생성시키고, 유기 용매에 용해한 전도성 고분자를 코팅하는 매우 단순한 공정에 의하여 제조가 가능하게 되었다.
석상일 박사 연구팀의 이번 연구는 저가의 무기물과 화학적 용액 공정에 의하여 태양전지 제조가 가능하며, 무기반도체나노입자와 전도성 고분자 모두에서 태양에너지를 흡수하여 전기적 에너지로 변환이 가능한 구조이므로 근적외선 영역의 태양광 에너지도 활용이 가능한 특징을 가지며, 대면적이나 유연성 기판에도 쉽게 적용이 가능한 원천기술이라 그 의미가 크다.
석상일 박사는 “이번 연구성과는 차세대 태양전지기술로 알려진 무기반도체박막태양전지, 유기태양전지, 염료감응태양전지의 장점을 소재와 구조로 모두 융합한 형태의 신개념 태양전지로 고효율과 저가라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 원천기술”이라고 연구 의의를 밝혔다.
용어설명
1. 무기반도체박막태양전지
○ 전자(n)-정공(p)의 무기반도체 박막을 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지.
○ 효율은 높지만 제조 비용이 고가인 단점이 있음
2. 염료감응태양전지
○ 식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지로, 전자(n) 전도성 지지체위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작하는 태양전지.
○ 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용에 따른 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음
3. 유기태양전지
○ 태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지
○ 저가로 제조가 가능하지만, 광안정성이 낮은 단점이 있음
