전 세계적으로 청정 에너지원의 효율적인 활용에 대한 연구가 활발하다. 특히 태양광산업은 태양전지 개발이 핵심으로 꼽힌다. 태양광을 전기로 변환하는 기능의 향상이 기술의 경제성을 좌우하기 때문이다.

지난 2일 에너지공학과는 ‘염료감응 태양전지 제조 및 특성’이라는 주제로 정기 세미나를 열었다. 이 날 세미나는 전용석<울산과학기술대ㆍ에너지공학부> 교수가 강사로 초빙됐다.

염료감응 태양전지는 유기 염료와 나노 기술을 이용해 높은 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양전지다. 태양전지 중에서 가장 대중적인 형태는 지붕 위에 전지판을 넓게 설치하여 전력을 얻는 실리콘 전지로 설치 및 유지비용이 비싸다. 반면 염료감응 태양전지는 값싼 유기 염료를 이용해 제조 단가가 기존 실리콘 전지의 1/3에서 1/5의 수준이다.

염료감응 태양전지의 염료는 가시광선을 흡수해 전자를 방출한다. 이 전자는 염료와 붙어있던 이산화티타늄 나노 입자에 의해 기판에 전달된다. 이렇게 전자가 모인 기판은 건전지의 음극 역할을 하게 되며 일을 할 수 있게 된다.

염료감응 태양전지의 장점은 다양한 염료를 사용할 수 있다는 것이다. 다양한 문양과 여러 가지 색상의 구현도 가능하다. 기존의 실리콘 태양전지는 불투명하게 만들어지는데 투명도를 높이기 위해서는 추가적인 공정이 필요해 높은 비용이 든다. 반면 염료감응 태양전지는 반투명하게 태양전지를 생산할 수도 있다. 가시광선을 투과시킬 수 있어서 염료감응 태양전지는 건물이나 자동차의 유리창과 온실의 외부 유리창을 대체 할 수 있다.

하지만 아직 상용화를 위해 해결해야 하는 과제들이 있다. 우선 염료감응 태양전지의 전해질에 대한 문제를 들 수 있다. 염료감응 태양전지는 전해질의 종류에 따라 액체형, 고체형으로 분류되며 액체형이 더 효율적이다. 그러나 여름철에 액체가 쉽게 기화돼 밀폐하기 어렵다. 반면 고체형은 효율은 더 낮지만 안정성이 높고 제조 공정이 단순해 비용을 절감할 수 있다. 그래서 액체 전해질을 고체 전해질로 변경하려는 시도가 이뤄지고 있다.

염료감응 태양전지는 1971년 스위스 연방 기술원(EPFL)에서 개발된 후 국내외에서 연구가 진행되고 있다. 우리나라는 화학연구원(KRICT)을 시작으로 한국전자통신연구원(ETRI), 한국과학기술연구원(KIST) 등에서 10여 년 간 연구를 진행하고 있다. 또 고려대를 시작으로 우리 학교와 울산과학기술대, 성균관대, 인하대, 부산대 등 많은 학교에서 연구되고 있다.

앞으로 염료감응 태양전지의 연구 방향에 대해 전 교수는 “액체 전해질 대체, 완벽한 밀폐 기술, 다중 접합을 통한 고효율화 등이 추세가 될 것으로 본다”며 “현재 동진세미켐, 삼성SDI, TG에너지 등의 국내 기업들이 상용화 모듈 개발에 힘쓰고 있는데 좋은 결과가 나오기를 기대하고 있다”고 전했다.

 

일러스트 주소희 기자