염료감응형 태양전지(DSSC), 실리콘 태양전지 영역 넘보나
배신수 2011-05-03
태양광 시장이 지난해 16.5GW에서 2011년 올해 20GW 이상의 시장 규모로 형성되면서, 저비용 및 고효율 차세대 태양전지 개발에
대한 투자가 활발히 진행되고 있다. 3세대 태양전지로 일컬어지는 염료감응태양전지에 대한 연구개발 역시 한국, 일본 기업들을
중심으로 꾸준히 개발돼 상업화를 눈앞에 두고 있다.
염료감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 1991년 스위스 그라첼 교수가 광전변환효율 7.1%을 네이처(Nature)
지에 발표를 통해 알려지게 됐으며, 금속산화물 TiO2(이산화티탄) 표면에 염료(루테늄계(Ru) 염료)를 침지(浸漬)시켜 광전기 화
학적 반응에 의해 전기를 생산하는 태양전지다. 
염료감응형 태양전지(DSSC)는 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장영역의 광을 효과적으로 이용하
기 위해 가시부에 선택적 광흡수대를 가지는 색소분자를 이용하고 있다.
또한 태양에너지를 흡수하는 염료분자와 여기전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 wide band gap 반도체의 역할이 분리돼 있고,
염료분자에서 생성된 정공은 산환-환원 프로세스를 이용한 전해질에 의해 환원되는 비교적 간단한 소자 구조를 가지며 제작 방법
또한 간단해 많은 관심을 모으고 있다. 구동 방식은 광합성의 원리를 적용하고 있으며, 소재 또한 친환경 재료다. 
염료감응형 태양전지(DSSC)는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 효율을 나타내고 있으며, 저비용 및 고효율과 함께
다양한 응용성을 지니고 있다. 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지 변환효율을 갖고 있으며, 생산 원가가 실리콘 태양전지의
5분의 1 수준으로 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
염료감응형 태양전지는 10~11% 정도의 상용화 효율을 나타내고 있고, 저비용의 제조설비 및 공정기술로 인해 발전단가를 1/2수
준으로 낮출 수 있으며, 유연한(flexible) 기판에 투명한 태양전지로 응용 가능한 장점 덕분에 전 세계적으로 집중적인 연구가 행해
지고 있다.
2011년 초까지는 소형 염료감응형 태양전지가 시장의 대부분을 차지할 것으로 예상되나, 2012~2013년에는 SDI, 동진쎄미켐, 티모
와 같은 한국 업체와 Corus, Sharp, DNP, 3G Solar 등과 같은 해외 업체의 BIPV 제품이 본격적으로 상업화가 이뤄지면, 향후
50% 이상을 차지할 것으로 전망된다.
염료감응형 태양전지의 응용제품으로는 현재 건물 일체형 태양전지(BIPV)가 가장 유력해, 시장의 50% 이상을 차지할 것으로 보
인다. 현재 주요 시장을 형성하고 있는 포터블 전자 기기용 충전기 시장도 20% 내외로 발전할 것으로 보인다.
배신수 기자(www.aving.net
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아래는 솔라엔 에너지 자료
| 염료감응형 태양전지(DSSC) 기술동향 |
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1. 염료감응형 태양전지(DSSC) 개요
DSSC는 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장영역의 광을 효과적으로 이용하기 위하여 가시부에 선택적 광흡수대를 가지는 색소분자를 이용하고 있다. 일반적으로 색을 나타내는 발색단(Chromophore)을 포함하는 모든 분자를 색소 (Colorant) 라고 정의할 수 있지만, 다른 기질 (섬유나 반도체 전극 등)에 흡착특성을 부여하는 조색단 (Auxo chrome)을 포함하는 경우 염료(Dye)라 정의하므로 색소증감형 태양전지가 아니라 염료감응형 태양전지라 명명함이 타당하다고 할 수 있다.
DSSC의 경우 기존의 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 효율을 가지며 저가, 고효율 특성과 함께 다양한 응용성을 지니고 있어 많은 연구자 및 기업의 집중적인 관심의 대상이 되고 있다. 기존의 태양전지와 달리, 태양에너지를 흡수하는 역할의 염료분자와 여기 전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 wide band gap 반도체의 역할이 분리되어 있으며, 염료분자에 생성된 정공은 산환-환원 프로세스를 이용한 전해질에 의하여 환원됨으로써 태양전지의 작동 과정이 완성되는 원리를 이용하고 있어 비교적 간단한 소자 구조를 가지며 제작 방법 또한 간단하여 많은 관심을 모으고 있다. 또한 구동 방식이 광합성의 원리를 적용하고 있으며 사용하는 소재 또한 친환경적이어서 향후 많은 발전 가능성을 내포하고 있다.
그림. 염료감응형 태양전지 구조 및 루테늄계 염료 구조
1) 염료감응형 태양전지 제작공정
원천 특허를 보유하고 있는 Gratzel 그룹의 소자 제작 과정을 살펴보면 TiO2 페이스트를 이용하여 screen printing 혹은 닥터 브레이드법을 이용하여 박막을 형성하다. TiO2의 경우 450℃ 이상의 온도에서 표면 유착이 발생하므로 입자와 입자사이를 연결하는 necking 공정의 열처리 온도가 중요하며 이를 통하여 전자간의 확산이 일어난다. 일반적으로 나노 입자의 분산을 위하여 분산제 및 고분자 물질이 사용되므로 이러한 재료의 소결과 FTO 면과의 접착 특성 등을 증진시키기 위하여 열처리와 함께 FTO 의 세척이 후 플라즈마 처리를 하기도 한다.
Gratzel cell 의 경우 1회 스크린 프린팅으로 약 3 μm 두께의 TiO2막을 제작하고 125℃에서 10분간 열처리하여 이를 5회 반복 한 후 450℃에서 30분간 소성함으로써 적절한 두께의 막을 제조하고 있다. 사용하는 반도체 전극과 염료에 따라 전해액의 조성을 최적화 하여야 한다. 이후 염료용액에 12시간 이상 침적하여 충분히 염료를 흡착시킨 이후 ethanol 로 수회 세척한다.
상대전극의 경우 FTO 기판에 전해액 주입을 위하여 구멍을 뚫은 후 Pt 박막을 형성한다. 상대 전극과 광전극을 surlyn을 이용하여 접합시키고, 120℃에서 수분간 가압하여 셀 제작을 완료한다. 이후 pt 전극 쪽 구멍을 통하여 전해액을 주입하고 봉지하면 셀 제작이 완성된다.
그림. DSSC 단위 셀 제작공정
그림. 제작된 DSSC cell
2) 염료감응형 태양전지 모듈화 기술
염료감응형 태양전지는 지금까지 광발전용으로 상용화된 제품은 없으나, 본 기술의 원천특허가 2008년 10월에 권한 기간이 만료됨에 따라, 전지구조와 물질에 대한 특허 사용이 자유로워져 2008년 이후 보급용 염료감응형 태양전지가 출시될 것으로 예상된다. 이러한 태양전지를 이용하여 생성된 전기를 현장에서 이용하고자 할 경우 필수적으로 발전 시스템을 갖추어야 한다. 태양전지 발전 시스템은 태양광으로부터 직류전기를 만드는 태양전지 어레이, 직류전류를 교류전류로 변경하는 인버터, 그리고 저장장치인 축전지로 크게 3가지로 구성되어 있다.
태양전지는 단위셀이라 불리는 최소 단위를 전기적으로 연결한 후 패키징하여 모듈을 만들고, 이들 모듈을 조합하여 어레이를 만든다. 이는 단일 셀만으로는 가정이나 산업현장에서 사용할 만큼 충분한 전류를 생산할 수 없기 때문이다. DSSC의 상용화를 위하여 태양전지 단위 셀의 고효율화와 함께 module 제작에 관한 연구가 진행되고 있으며, 본 장에서는 지금까지 보고된 모듈화 기술에 대하여 정리하고 각 시스템의 특징을 살펴보고자 한다.
모듈의 분류는 (1) 대향 cell 모듈(Faced cell module), (2) Z-모듈(Z-serial module), (3) 모노리스형 모듈(Monolithic-serial module), (4) W-모듈(W-serial module)로 크게 4종류로 나눌 수 있다.
그림. DSSC 모듈의 분류
◎ 대향 cell 모듈
대향 셀 모듈 방식에 대하여서는 중국과학원의 플라즈마물리연구소 및 네들란드 ECN에서 활발히 연구되고 있으나, 그 이외 연구기관은 알려져 있지 않는 실정이다. 다음에서 대향 셀 모듈의 일반적인 구조를 표시하였다.
그림. 대향 셀 모듈의 일반적인 구조
대형 셀 제작이 용이하고, 수분 침투에 대한 신뢰도가 높고, 투광도가 높은 장점이 있다. 단점으로는 유효면적이 좁으며, 제조과정이 복잡하고, 광변환 효율이 상대적으로 낮은 점이 지적되고 있다. 향후 플라스틱 기반의 셀 제작과 cover glass 의 내구성 및 경량 모듈화 공정 개발에 적합한 방식으로 생각 되고 있다.
Z-module 은 인접하는 셀이 Z-형이며, 집전선이나, 버스전극이 필요하지 않으며, 유효면적이 넓어 광전변환 효율이 비교적 높고, 투명형, 그리고 양면형 셀 제작이 가능하다. 수지로 된 투명성 기판을 사용하는 경우 경량화가 가능하다는 장점이 있다. 단점으로는 대형셀 제작을 위하여 접합면을 맞추기 힘들고, 직렬연결이므로 각 셀의 효율 편차를 줄여야 하며, inter-connector의 신뢰성 및 전도 특성에 크게 영향을 받게 된다. 다음에 Z-형 모듈의 제작 공정을 표시하였다.
그림. Z-형 모듈의 제작 공정
◎ 모노리스형 모듈
시판용 무정형 실리콘 모듈과 흡사한 구조로 glass가 1매 사용됨으로 경량이며, 집전선 등이 필요하지 않다. 유효면적이 비교적 넓고, 광변환 효율이 높으며, 다수의 셀을 동시에 제작할 수 있는 장점이 있다. 단점으로는 작렬접촉 방식이어서 각 셀 효율이 균일해야 하며, 표면이 비교적 견고하지 못하여 파손될 우려가 있으며, 투광도가 높지 않은 단점이 있다. 다음에 모노리스형 모듈의 제작 방법을 표시하였다.
그림. 모노리스형 모듈의 제작 공정
◎ W 모듈
모듈과 모노리스형의 경우 인접셀과 동일한 방향으로 제조되는 것에 비하여 W-형 모듈은 인접 셀과 반대 방향으로 겹쳐져 있는 구조를 가진다. 따라서 집전선이나 버스전극이 필요없으며, 셀간의 접촉이 직접 기판상에서 이루어지므로 신뢰성이 높고, 요효면적을 극대화할 수 있는 구조를 가지고 있어 광변환 효율이 상대적으로 높은 장점이 있다. 다수의 셀을 동시에 제작 가능하여 대량화가 용이하며, 셀과 모듈을 동시에 제작함도 가능하다. 단점으로는 직렬로 접속된 각 셀에 흡수되는 광량이 서로 달라 출력의 조절이 필요하며, 인접한 셀의 색조가 다르다는 단점이 있다.
그림. W-모듈형 모듈의 제작 방법
태양전지는 단위셀 효율이 높더라도 이를 모듈화 하였을 때 효율이 상당히 감소하게 된다. 이것은 태양광을 흡수하는 전극의 면적이 넓어지는 경우, 광흡수에 의해 생성된 전자가 이송되어 수집되는 도중 반도체 내부의 결함이나 다른 물질과의 계면에서 정공과 재결합하여 소실될 확률이 증가하기 때문이다. 이 때문에 염료감응형 태양전지의 경우, 태양전지의 활성전극 폭이 1 cm 이상으로 커질 경우 효율이 급격히 감소하게 된다. 따라서 모듈과 같은 대면적에서 전자의 흐름이 정공과 재결합하여 소실되지 않고 집속될 수 있도록 태양광 흡수용 전극 및 전하 수집용 그리드의 설계, 효율적인 패키징 시스템의 설계 및 제작이 필수적이다.
1995년 이래 지금까지 주로 대향 셀 모듈을 제작 연구하였는데, 이때 전도성 내부 패턴을 산성의 전해질로부터 보호하기 위해 폴리머나 세라믹조각 페이스트 (글레이즈)를 사용하였다. 2001년까지 이와 같은 형태의 대향 셀 모듈에 관한 연구는 잠시 주춤하다가 새롭게 연구가 진행되고 있다. 이 parallel형 모듈은 활성면적이 넓고 광전변환효율이 높은 장점이 있다.
대면적 광전기화학형 태양전지는 금속배선과 비교해 전기전도도가 열세인 투명전극을 사용해야만 하는 한계로 인해, 전자수송을 원활하게 할 수 있는 전하 수집기 (charge collector) 역할의 그리드(Grid)가 필요하게 된다. 이로 인해 대면적 태양전지는 캐리어 발생과 수송이 단위셀과 다른 양상을 띠게 된다. 보통 그리드는 태양광이 투과할 수 없는 금속소재를 주로 사용하게 되는데, 이는 활성면적의 감소로 이어져 전지의 발전단가를 증가시키는 원인이 된다. 따라서 상용화를 위해서는 효과적인 모듈 설계 및 제조 기술이 필수적이다.
염료감응형 태양전지는 기존의 실리콘 및 화합물반도체 태양전지와 비교하여 비교적 단순한 공정으로 제조되지만, 요오드 기반의 전해질로 인해 전기전도도가 우수한 금속을 (Ag, Al, Cu 등) 그리드로 사용할 경우 금속 부식(corrosion)이 발생하는 단점이 있다. 따라서 그리드를 활성면적 안의 전해질로부터 분리시키거나, 전해질에 부식되지 않으면서 전기전도도가 우수한 금속 또는 부식성을 갖지 않으면서 이온 활동도가 우수한 전해질을 개발해야 한다.
인버터는 기존의 실리콘계 태양전지와는 다른 전기적 특성을 지닌 염료감응형 태양전지에 적합하도록 개발되어야 하며, 이를 위해서는 염료감응형 태양전지 모듈의 배열 및 응답특성에 맞도록 회로가 구성되어야 한다. 인버터 기술의 발달을 통해 염료감응형 태양전지의 발전효율을 최대화시킬 수 있으며, 태양전지의 발전특성에 맞추어 시스템 매칭을 시켜줌으로써 낮 동안에 생산된 전기가 저장된 축전기의 전력을 필요한 시간에 효과적으로 공급시킬 수 있다. 염료감응형 태양전지가 상업화되기 위해서는 단위셀 수준의 효율 향상 기술 개발과 함께 발전 시스템의 개발이 필수적이다. 염료감응형 태양전지는 현재 발전단가로도 실용화 가능함에도 이러한 주변기술의 미비로 실용화가 지연되고 있다. 건물 등 목표물에 부착 가능한 모듈 제조기술과 모듈및 시스템의 효율 향상을 위한 초소형 고효율 인버터 기술이 부족한 실정이다
3) 염료감응형 태양전지 신뢰성 평가
염료감응 태양전지는 전기화학 기반 유무기 하이브리드 태양전지로서 염료감응 태양전지의 상용화를 위해서는 모듈상태에서의 신뢰성 극복기술 개발이 시급한 상황이며 그 이유는 염료감응 태양전지의 신뢰성은 주로 전해질 누액의 발생으로 전기화학 시스템 붕괴로 태양전지가 발전능력을 상실하기 때문이다. 또한, 염료감응태양전지는 현재 Iodine계 전해질을 사용하고 있으며 Iodine은 고온 및 수분 존재 하에서 부식성을 보이며, 모듈의 집전극 및 광전극, 봉지재료를 부식시키므로 발전성능을 급격히 떨어뜨리며 광흡수물질인 염료의 자외선 안정성 또한 모듈의 수명을 단축시키는 역할을 한다. 이에 따라, 모듈의 신뢰성 향상을 위한 당면과제는 고효율의 안정한 준고체 및 고체 전해질 기술개발이며, 비-Iodine계 전해질의 개발, 전해질에 안정한 봉지재료의 개발이 시급한 상황이며 기존 태양전지와 달리 전기화학 기반의 염료감응 태양전지 모듈의 신뢰성 측정조건의 확립을 통한 상용화를 위한 인증확립이 시급하다.
이러한 상황에 따라 염료감응태양전지의 Standardized Packing Durability Test 조건은 하기의 다양한 방법으로 검토 되고 있다. (IEC 1646; 1996, IEC 1215; 1993, JIS C8938) 가장 빠르게 인증기준을 준비하고 있는 일본은 박막태양전지(a-Si solar cell) 신뢰성 평가기준인 JIS-8938을 적용하고 있다.
신뢰성 평가 항목은 크게 네가지로 구분을 할 수 있으며 하기 테스트 조건을 통과하면 최소 10년의 소자 수명을 확보하였다고 예측할 수 있다
1. Dry heat cycle test; JIS-C8938-A-1
그림. 일본 염료감응 태양전지 내환경성 가속시험 평가 규격
염료감응 태양전지분야 기술선진국인 일본은 AIST(독립법인 산업기술총합연구소)에서 평가된 일본 Fujikura사, Sony사 등 몇 개 연구기관은 이미 일본의 박막태양전지용 신뢰성 기준을 통과한 상태이며 기타 국가들은 국가 인증 센터를 중심으로 제품 인증을 위한 자체 염료감응태양전지 신뢰성 평가기준을 정하고 있는 상황이며 향후 1~2년 이내 기준이 확립될 예정이다.
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| Written by Daniel | 2011-04-13 |