태양전지 세계시장은 벌크실리콘 기반의 태양전지가 95% 이상을 차지하고 있으며, 주로 대규모 태양광 발전시설에 이용되고 있다.

하지만, 태양전지가 사용될 수 있는 제품의 범위는 대규모 태양광 발전에서부터 소형 전자기기에 이르기까지 매우 다양하기 때문에, 건물 외벽 또는 유리창호와 같은 건자재 용도 및 이동발전 용도 등에도 적합한 태양전지까지 용도 맞춤형 태양전지 기술개발이 필요하다.

차세대 태양전지로 분류되는 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell, DSSC)는 식물의 광합성 원리를 응용한 태양전지로서 고분산성(高分散性) 나노입자 필름을 이용하기 때문에 투과성이 우수하고, 다양한 색상의 염료를 사용하기 때문에 심미적 특성을 가진 투명한 태양전지를 제조할 수 있다.

또한, 고순도의 재료가 필요하지 않고 고가의 진공 공정을 이용하지 않기 때문에 제조 및 발전단가가 무기기반의 태양전지에 비해 저렴하다.

약한 광(光)이나 산란광, 일조량이 적은 북향에 설치해도, 비교적 우수한 발전 특성을 보여주기 때문에 BIPV(Building Integrated Photovoltaic)형 태양광 발전과 유리창호형 태양전지(벽면, 커튼월, 발코니 등 건물의 외관에 태양광 발전 모듈을 장착해 자체적으로 전기를 생산하며, 건축물에서 바로 활용할 수 있도록 구성한 건축 외장시스템)로서 큰 기대를 받고 있다.(염료감응 태양전지의 특징 그림 참조)

최근 유리 기판 대신 금속박막이나 전도성 플라스틱 기판을 사용하는 플렉서블 염료감응 태양전지의 개발도 활발히 진행되고 있다.

플렉서블 태양전지는 고속의 연속인쇄공정이 가능하며, 가벼우면서도 휴대성이 뛰어나고, 평면이 아닌 곡면에도 설치해 이용할 수 있는 ‘형태 자유도’를 부과할 수 있기 때문에 ‘입는 태양광 전지(wearable photovoltaic)’, 군사용과 포터블 기기의 보조 전원 등 종래의 유리형과 달리 경량성과 안정성이 요구되는 분야로의 응용이 가능하다.

따라서 DSSC의 응용의 폭을 더욱 확대할 수 있는 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

▲ 염료감응 태양전지의 특징.

●염료감응 태양전지 구조 및 작동원리

표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양광(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다.

반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생 시키게 된다.

염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원돼 염료감응 태양전지 작동 과정이 완성된다.

●플라스틱 기판을 이용한 플렉서블 염료감응 태양전지 기술

플렉서블 DSSC의 기판 소재로 스테인레스, 티타늄(Ti)과 같은 금속 기판이나 ITO/PET, ITO/PEN 과 같은 플라스틱 기판을 이용할 수 있지만, 기판 소재에 따라 염료감응 태양전지의 특성과 제조공정이 달라질 수 있다.

우선 금속 기판을 이용할 경우, 불투명하고 빛에 대한 반사도가 높은 금속의 특징 때문에 투명하고 컬러 특성을 갖는 DSSC의 장점을 유지시킬 수 없다.

반면 플라스틱을 이용할 경우, DSSC의 장점을 그대로 살릴 수 있으나 플라스틱 자체의 열안정성 문제 때문에 모든 제작 공정을 150℃ 이하의 온도에서 완성시켜야 한다.

즉, 플라스틱 기판 위에 TiO₂ 나노전극을 기반으로 하는 태양전지를 제조하기 위해서는 기존에 효율적인 나노전극 형성을 위해 사용되었던 높은 소성 공정온도를 낮추어야 할 필요가 있다.

따라서 저온에서 TiO₂ 나노전극 형성을 위한 저온 소성 공정 개발이 필요하다.(DSSC의 제조에는 서로 연결된 광전극용 나노입자인 TiO₂를 형성시키고 광전극과 기판소재와의 접착력을 유지시키기 위해서 450℃ 이상의 고온 열처리 과정이 사용됨)

최근, 화학적 혹은 물리적 방법을 통해서 저온에서 플라스틱 기판에 광전극을 형성하려는 다양할 기술들이 개발되고 있다.

특히 한국과학기술연구원(KIST) 태양전지센터에서는 저온 유무기 하이브리드 형태의 광전극 제조를 통해서 굽힘에도 기계적 강도와 효율을 유지할 수 있는 광전극 형성기술과 수 nm 크기의 타이타니아 풀(나노글루)입자를 이용해서 저온에서 광전극 나노입자를 형성하는 화학적 소성 기술을 개발하여 특허 및 논문를 발표하였다.

이 외에도 플렉서블 DSSC의 사용 환경상 전해질 누액의 가능성을 줄일 수 있는 준고체 전해질 및 고효율 모듈 기술, 신구조 태양전지 기술에 대한 연구를 동시에 진행하고 있다.

저온에서 광전극 형성 기술 이외의 플라스틱 DSSC의 핵심기술로는 저저항 고투과도의 전도성 투명기판 형성 기술, 낮은 광전극 두께에도 충분한 빛을 흡수할 수 있는 염료 합성 기술, 장기 안정성 확보 소재 및 공정 기술, 수분의 침투를 차단할 수 있는 패시베이션 기술 및 장기적으로는 고속의 연속인쇄 모듈 및 공정기술들이 필요하다.

▲ 염료감응 태양전지의 구조와 작동원리.

●국내외 연구 현황 및 사업화 방안

플렉서블 DSSC 개발은 일본에서 가장 활발하게 진행되고 있으며, 영국은 모바일 기기 및 휴대전화 충전을 위한 보조전원용 제품을 판매하고 있다.

동경이과대의 아라카와 교수 연구팀은 바인더 프리 TiO₂로 광전극을 코팅 후, 압력을 가하는 기계적 신터링 방법을 이용하여 7.4 % 의 효율을 보고하였으며, 일본 요코하마 토인대학의 미야사카 교수팀은 다양한 크기와 조성의 루타일/아나타제 혼합 TiO₂ 입자를 이용하여 저온코팅용 페이스트를 제조, 보고한 바 있다.

일본 펙셀(Peccell technologies)사는 이 기술을 이용하여 모듈을 제작, 실외 태양광 조사 하에서의 성능평가시험을 통하여 실용화를 진행 중에 있다.

TiO₂ 페이스트의 입자 크기 최적화와 빛 산란용 큰 입자 혼합으로 ITO/PEN 기판을 사용하여 5.8%의 에너지 변환효율과 함께 A4크기의 직렬 Z형으로 4%의 에너지 변환효율을 나타내고 있다.

이러한 플렉서블 DSSC는 형상자유도와 함께 높은 재료비가 필요하지 않으며, 인쇄법으로 진공공정이 필요하지 않기 때문에 일본 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO) 목표치인 70엔/W 이하가 가능하리라 판단하고 있다.
실내 및 소형기기나 창, 자동차의 썬루프 등으로 응용을 고려하고 있다.

일본 동경대의 우치다 교수는 28GHz의 마이크로웨이브를 짧은 시간 동안 TiO₂ 광전극에 조사하는 방법을 이용하여 ITO/PET 기판 위에서 광전극 필름을 제조하여 2.16%의 변환효율을 갖는 플렉서블 태양전지를 보고하였다.

영국의 G24i는 세계최초로 DSSC를 일반용으로 발매하였으며 현재 5MW규모의 플렉서블 DSSC를 롤투롤(Roll-to-roll) 방식으로 제작하고 있다.

지난 2007년 10월에 가동을 시작한 제조라인은 길이 0.5마일(약 800m)분의 태양전지 시트를 3시간 만에 생산할 수 있는데 이는 분당 4m의 플렉시블 DSSC를 생산할 수 있다는 능력이다.

이 회사의 제품은 모토로라 휴대전화의 충전을 위한 보조전원과 함께 가방에도 부착되어 판매되고 있으며, 2008년 4월에는 남극을 탐험 중인 탐험가에게 최대 발전능력 30W의 대형 충전 시트를 제공하고 있다고 발표한 바 있다.

남극과 같이 일사량이 일정치 않은 극지에도 DSSC가 사용될 수 있는 이유는 바로 흐린 날씨나 아침 저녁의 태양 빛이 약한 가운데에도 결정계 실리콘 태양전지와는 달리 발전능력이 크게 저하되지 않기 때문이다.

G24i는 이들 태양전지의 에너지 변환효율에 대해서 밝히고 있지 않지만, 그 크기와 발전능력에서 추측하면 3% 전후가 예상된다. 비록 결정계 실리콘 태양전지에 비해 효율은 상당히 낮지만 롤투롤 방식의 대량생산에 따른 낮은 발전단가를 이용해 기존의 태양전지와 경쟁한다는 방침을 내세우고 있다.

이스라엘의 3GSolar는 플렉서블 DSSC 모듈 15㎠에서 7%의 에너지 변환효율을 달성하고 현재 8MW규모의 제조라인 구축을 목표로 하고 있다.

국내의 경우, 민간기업 주관의 대형 국책과제인 고효율 유리기판 DSSC에 대한 과제가 우선적으로 진행되고 있기 때문에 플렉서블 DSSC에 대한 관심은 주로 대학과 정부출연 연구소를 중심으로 진행되고 있는 현실이다.

하지만, 유리기판 염료감응 태양전지에서 개발된 핵심 소재 및 공정 기술의 많은 부분을 플렉서블 기판 기술에도 응용할 수 있기 때문에 위에 언급한 플렉서블 DSSC만의 원천기술에 대한 연구에 집중한다면 상승효과를 기대할 수 있다.

최근에는 산·학·연을 중심으로 연속인쇄 공정을 이용한 플렉서블 DSSC 모듈 생산에 대한 관심이 커지면서 핵심 기술과 롤투롤 공정에 대한 국책과제도 함께 진행되고 있다.

▲ 플렉서블 염료감응 태양전지.

●앞으로의 전망

현재 DSSC 생산 공정은 유리기판위에 모든 공정이 배치(batch)타입으로 이루어지고 있으며, 공정을 모듈화하기 위한 기술 개발이 진행 중이다.

플렉서블 기판을 이용하여 연속공정으로 태양전지를 제조한다면 대량생산에서도 동일 품질을 유지할 수 있으며 생산라인의 속도를 향상시킬 경우 속도에 비례하여 제품단가를 인하시킬 수 있어 원가절감에 효과적이다.

국내 DSSC 모듈 개발은 유리기판의 경우, 관련 산·학·연의 연구개발이 활발히 진행 중이지만 플렉서블 DSSC 분야는 해외 선진기술 보유국과 비교해 매우 미흡한 실정이다.

따라서 플렉서블 DSSC 상용화 기술기반 확보를 위한 관련 산·학·연 협력체계를 구축하고 공동 R&D를 수행함으로써 기술 선진국과의 격차를 줄여 산업화 경쟁력을 확보해야 한다.

특히 세계 최고의 평판 디스플레이 기술을 갖고 있는 국내 기술과 인프라를 적용한다면 기술개발 시간과 비용의 절감이 가능하여 플렉서블 DSSC의 시장 창출과 세계 시장 선점이 가능하리라고 예상한다.

▲ 플렉서블 염료감응 태양전지 연속공정 개요도. ⓒ 제공: 다이솔티모