▲ ▲한국전기연구원에서 개발한 염료감응 태양전지 모듈. 친환경, 경제성, 투명성 등의 장점으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다.. ▲한국전기연구원에서 개발한 염료감응 태양전지 모듈. 친환경, 경제성, 투명성 등의 장점으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

친환경, 경제성, 투명성 등 다양한 장점으로 차세대 태양전지로 각광받고 있는 염료감응 태양전지(DSSC)가 국내 연구진들의 혁신적인 소재개발에 힘입어 상용화에 한걸음 다가서고 있다.

염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 식물의 광합성 원리를 이용한 것으로 염료가 빛을 흡수해 전기를 만든다. p형과 n형 반도체의 접합을 이용한 기존 실리콘 태양전지나 박막 태양전지와 달리 전기화학적 방식을 이용하고 기존의 실리콘 태양전지에는 못 미치는 10~11%정도의 상용화 효율을 가지고 있으나 적은 빛으로도 발전이 가능하다.

특히 카드뮴 등 독성물질을 사용하지 않아 친환경적이라는 점, 기존 실리콘 전지에 비해 소재가격이 저렴하고 제작도 간단해 발전단가를 1/5수준으로 낮출 수 있는 점, 투명하게도 만들 수 있어 유리창에 적용이 가능해 건물일체형 태양전지(BIPV)에 적용이 급증할 것이라는 점 때문에 3세대 태양전지로 각광을 받고 있다.

상용화를 위해선 공학적으로 가능한 18% 효율 달성과 모듈 코스트의 70%에 달하는 재료비를 낮추는 소재부품 기술 확보가 요구되고 있다.

DSSC를 구성하는 4대 핵심 소재부품은 작동전극(Working Electrode), Dye(염료), 전해질(Electrolyte), 상대 전극(Counter Electrode)이다. 전해질로는 요오드를 포함하는 액체전해질이 주로 사용되는데 휘발성이 높고 고온에서 팽창하여 새거나 안정성이 낮아 전극을 부식시키는 등 심각한 문제를 유발시켜 고체전해질로 대체하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 상대전극에 주로 코팅되고 있는 백금은 가격이 비싸고 요오드계 전해질에 취약하다는 한계가 있어 이를 다른 재료로 대체하려는 움직임이 지속되고 있다.

최근 연세대 김은경, 김종학 교수 연구팀과 울산과학기술대학교(UNIST) 주상훈 교수-한국에너지기술연구원(KIER) 한치환 박사팀은 이러한 소재의 단점을 극복하는 연구개발에 성공, DSSC 상용화를 위한 징검다리를 놨다.

연세대 김은경, 김종학 교수 연구팀은 미세한 구멍(수 나노미터크기)을 메울 수 있는 전도성 고분자 고체 전해질와 나노패터닝 기술을 이용해 안정적이면서도 효율이 높은 전도성 고분자 기반의 염료감응형 태양전지를 개발하는데 성공했다. 특히 무기나노입자를 나노크기로 매우 작게 패터링해 광전극을 만들어 DSCC에 처음으로 나노패턴을 도입, 흡수되지 못하고 투과되는 빛을 반사시켜 태양전지 효율을 극대화 시키는 빛 수확기술(Light Harvesting)을 적용한 것. 연구진은 이 기술들을 이용해 7%의 높은 광전효율 달성에 성공했다. 또한 기존 공정에서 1~2단계의 간단한 추가공정으로 나노패턴을 제작할 수 있고 대면적화가 가능해 대량생산의 길을 열었다.

주상훈 교수-한치환 박사팀은 백금 대체 물질로 각광받고 있는 탄소계 소재의 단점을 개선하는 성과를 거뒀다.

기존 탄소물질의 경우 탄소사이 뿐 아니라 투명전극과의 접착력이 좋지 않아 태양전지의 안정성을 떨어뜨리는 문제점을 가지고 있었다. 연구진은 메두사 형태의 탄소 나노 재료 합성을 통해 전도성 및 접착력을 높였으며 제조원가 또한 획기적으로 낮춰 상용화를 앞당길 것으로 기대를 모으고 있다.

■2015년 3천억 시장 돌파

DSSC는 PV 모듈을 건축 건축자재로 사용해 건물 외피에 적용하는 BIPV(건물일체형태양광발전)를 중심으로 시장이 급성장할 것으로 전망되고 있다. 에너지시장 조사전문기관 SNE리서치에 따르면 전세계 DSSC 모듈시장은 효율성과 내구성 확보를 통해 2014년 본격 양산화에 접어들어 2015년 3,250억 규모로 성장할 것으로 예측됐다. 이중 DSSC의 장점을 극대화 할 수 있는 BIPV가 2,000억원 이상을 차지할 전망이다. 특히 BIPV는 기존 독립형 태양광 발전시스템과 같이 설치 공간을 위한 별도의 부지확보가 필요 없고 건물에 대한 에너지 소비 효율성 개선 수단으로 각국 정부가 인센티브를 늘리고 있어 또 하나의 발전시장을 형성할 것으로 기대를 모으고 있다.

4대 소재부품시장도 1,000억원 이상을 형성할 것으로 예상되고 있다.

우리나라에서 관련 소재 기술을 가진 기업은 동진쎄미켐, CMS, EL Solar, SFC 등이 있고 전해질소재는 나노캠텍, 씨트리 등이 있다.

모듈기술은 삼성SDI, 이건창호 등이, 발전유리 창호에 KCC, LG하우시스가 기술을 확보하고 있는 등 대기업이 주도하고 있어 세계시장에 도전할 만한 조건을 갖추고 있다.

특히 일찍부터 발전한 섬유산업으로 인해 확보된 염료기술을 바탕으로 국내 특허출원은 염료의 화학구조를 개선해 변환효율과 내구성을 향상시키는 연구가 중점적으로 이뤄지고 있어 DSSC 시장을 개척하는데 호기로 작용할 것이라는 것이 전문가들의 의견이다.