효율성을 2배로 향상시키는 양면 태양 전지
KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-10-29
태양 전지가 양면에서 일광을 동시에 포획할 수 있는 저렴한 염료를 기반으로 하는 디자인 덕분에 보다 효율적이며 경제적인 에너지자원이 될 전망이다. 염료 감응형 태양 전지(DSSC; dye-sensitised solar cell)는 실리콘을 함유하는 대신 저렴한 백색 염료인 작은 입자 형태의 이산화티타늄(titanium dioxide)으로 코팅된 염료와 일광 사이의 상호작용에 의존한다.
이산화티타늄 입자들은 전해질(electrolyte)처럼 작용하는 액체에 위치하여 염료가 빛을 흡수하여 방출한 전자를 포획하여 전류를 생성시킨다. 전체 혼합물은 전극 사이에 끼워져 있다. 투명한 유리판은 전기를 통하게 하여 후방 부전도성 패널로 보내기 위하여 작은 산화물로 덮여 있다. 이러한 고안은 전지가 일광에 놓일 때 전류를 흐르게 만들어 준다.
그러나 실외 조건에 맞추어 고안된 DSSC의 효율은 현재 약 6% 수준이다. 일부 실리콘 태양 전지의 효율은 42.8%에 달하며, 수많은 실리콘 태양 전지의 표준 효율이 15% 수준인 점을 감안하면, DSSC의 효율은 매우 낮은 수준이다.
스위스 연방 공과대학(Swiss Federal Institute of Technology) 소속의 Michael Gratzel은 양면에서 동시에 일광을 포획하는 디자인을 고안하여 저비용 태양 전지의 효율을 2배로 향상시킬 수 있다고 생각해 왔다.
최근 Gratzel 연구진은 일본 효고 현립 대학(University of Hyogo) 소속의 Seigo Ito와 공동으로 이 연구를 수행했다. 연구팀의 새로운 DSSC는 일광이 후방 패널을 조사할 때도 전방 패널을 조사할 때와 동일하게 빛을 에너지로 전환시켜 효율성을 향상시켰다.
이러한 과정을 달성하기 위하여 연구팀은 부도체의 후방 패널을 먼저 위치시킨 후 그 다음에 유리판을 위치시키고 전체 장치를 투명하게 만들었다. 또 새로운 패널은 작은 산화물로 코팅시켜 2차 전극처럼 작용하여 받은 전자를 전해질로 다시 돌려보내 전류를 완성시켰다. 그러나 투명하기 때문에 후방 패널로부터 시스템으로 빛은 통과할 수 있다.
Gratzel 연구팀은 다양한 두께의 염료로 채워진 층을 실험했다. 연구팀은 만약 염료로 채워진 층의 두께가 약 15 ㎛(micrometer)일 때, 빛이 전방의 패널을 통과해 전기를 생성하는 태양 전지의 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency)이 약 6%에 이르며, 추가로 후방 패널을 통과해 일광이 도달할 수 있는 전환 효율은 약 5.5% 가량임을 확인했다.
이 연구에 사용된 전해질 이외에 다른 전해질들은 10% 이상의 효율에 도달할 수 있다고 Gratzel은 밝혔다. 새로운 양면 태양 전지(two-sided solar cell)에 효율이 높은 전해질을 이용하면 전환 효율은 15-20%에 도달할 수 있을 것이며, 유사한 조건의 실리콘 태양 전지 수행력보다 더 우수한 효율을 달성할 수 있다고 Gratzel은 지적했다.
연구팀이 새로운 태양 전지 디자인을 발표하기 전 이미 DSSC는 업계의 관심을 받기 시작했다. 2008년 초 소니(Sony)사는 상업적 용도로 요구되는 수준인 에너지 전환 효율 10%인 전지를 개발했다고 발표한 바 있다.
영국 카디프(Cardiff)에 본사를 둔 DSSC 제조 기업인 G24 Innovations사의 회장인 Robert Hertzberg는 기업들의 효율성 산정에 오류가 있다고 밝혔다. Hertzberg는 새로운 기술은 비가 오는 조건이라도 낮은 빛에서 동력을 포획할 수 있게 해 줄 수 있다고 지적했다. 실리콘 태양 전지는 일광이 강력한 동안에만 동력을 포획할 수 있게 한다. 즉 새로운 양면 태양 전지는 어떤 기후 조건이라도 태양 전지의 수행력을 개선할 수 있다는 사실을 의미한다.
