저비용의 활용도 높은 태양전지 기술개발 활발

인쇄법을 통해 태양전지를 제조할 수 있다는 것의 장점 중 하나는 사용 목적과 제품 디자인에 맞춘 태양전지를 제조할 수 있다는 것이다. 태양전지의 용도는 계통전력의 발전용도에서부터 자립형 개발 시스템 및 실내광 등을 활용하는 에너지 하베스트용 전원, 그리고 센서 전원과 같은 대전력과 극소전력에까지 폭넓게 펼쳐져 있다. 이러한 다양한 용도에 대해 자유도 높은 설계가 가능할 것으로 기대되는 것이 바로 색소증감 태양전지다.

색소증감 태양전지의 장점
색소증감 태양전지의 기대효과 중 하나는 태양전지 제조의 저비용이 가능하다는 것이다. 태양전지용으로 적용되는 반도체 실리콘의 경우 IT의 발전으로 인해 반도체 재료의 사용량도 많아지고 있으므로 이를 대체할 수 있는 대체 재료에 의한 태양전지를 제조할 필요성이 높아지고 있다. 실리콘 반도체의 제조 및 정제 과정에서는 깨끗하며 고온 조건이 필요하므로, 비용 절감을 위해서는 기본적으로 대량생산을 배제할 수 없다. 그러한 관점에서 실리콘을 사용하지 않는 광발전 소자 및 태양전지의 연구에서는 고온, 진공이 필요 없는 제조 과정과 저비용 재료의 적용을 목적으로 개발이 진행되고 있다. 그 중에서도 색소증감 태양전지는 대량 설비가 없어도 제조할 수 있는 것이 장점이다.

특히, 최근에는 ‘IoT(사물 인터넷)’라는 단어도 뉴스 등에서 자주 다뤄지고 있는 만큼 다양한 기기에서 센서용 전원 또는 통신용 전원이 필요해질 것으로 예상된다. 실내에 설치하는 센서 등을 생각할 경우, 안정적으로 공급할 수 있는 전원 중 하나로 ‘환경광’을 들 수 있다. 예를 들면, 건물의 온도 및 조도, 습도 등의 정보를 센서로 감지하고 정보를 집약해 적절히 공조 운전을 하며, 에너지 효율을 높일 수 있는 것이다. 이러한 목적으로 사용되는 환경 개발용 소자로는 색소증감 태양전지도 후보 중 하나가 될 수 있다. 그 이유는 제조시 높은 자유도와 발전의 조도 특성에 있다.

색소증감 태양전지는 산화티탄 나노 다공막 전극에 흡착한 증감색소에서 비롯된 광전극과 대항전극 사이에 전해액을 넣은 샌드위치 구조로 만든 태양전지며, 상온 상압에서 인쇄공정을 통해 제조가 가능하다. 그림 1은 색소증감 태양전지의 일반적인 구조를 나타낸 것이다.

현재까지 가장 효율이 높은 색소증감 태양전지의 광전극은 산화티탄 나노입자를 소결한 메소 다공막이다. 고효율 메소 다공막은 유기 바인더로 산화티탄 나노입자를 분산 조제한 페이스트를 전도 유리기판 위에 도포하고, 400도 이상으로 소결하면 형성된다. 따라서 많은 연구기관에서는 FTO 유리기판을 이용한 색소증감 태양전지를 시험적으로 만들어 왔다. 고효율 색소증감 태양전지에서 전하 이동은 액체의 전해액이 담당하고 있다. 전해액을 사용할 경우 액체의 패키징이란 과제가 있으나, 그 최고 에너지 변환효율은 12%를 넘었을 뿐 아니라, 아몰퍼스 실리콘 태양전지의 변환효율을 뛰어넘는다．　

그 제조 공정, 특히 전해액이나 패키징 공정은 현재까지 개선이 진행되고 있다. 실용화를 위한 전해액의 젤화, 고체화의 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그러한 개선을 통해 색소증감 태양전지의 수 년 이상에 걸친 장기 실증 시험도 진행 중이다.

색소증감 태양전지의 실증시험
2005년에는 이미 일본 ‘아이신정기’가 도요타 ‘꿈의 주택, PAPI’ 외벽에 색소증감 태양전지 패널을 매립하고 수년에 걸쳐 실증시험을 실시 중에 있다. 2011년도부터 시작한 NEDO의 유기계 태양전지 실용화 선도 기술개발에서는 참여기업 각사가 색소증감 태양전지의 실증시험을 실시하고, 데이터 수집을 진행하고 있다. 예를 들어, ‘일본사진인쇄’의 색소증감 태양전지는 시마네현 마츠에시의 쿠니비키 멧세 독립 전원형 광고 게시판용 전원이나 교토 국제회관 엔트랜스 광장의 발광 패널용 전원으로 일반인들도 견학할 수 있는 곳에서 실증시험이 진행됐다.

이러한 실증시험은 색소증감 태양전지가 기존형 실리콘 태양전지와는 달리 약한 빛에서도 발전효율이 높을 뿐 아니라, 확산광에 대한 발전효율이 높다는 특징을 살린 것이다. 필자의 연구팀도 1m 규모의 양면 수광형 시스루 색소증감 태양전지 모듈을 제작해 건물 창가 등에 설치한 후 현재까지 발전 특성을 계측하고 있다.

에너지 하베스트, 환경 발전용 전원으로 적용 가능
실리콘계 태양전지의 경우 낮은 조도 아래에서는 발전효율, 특히 개방전압이 저하되는 데 반해, 색소증감 태양전지는 낮은 조도 아래에서 이러한 개방 전압의 저하가 비교적 적다. 따라서 에너지 변환효율은 밝기가 500럭스 정도의 일반적인 실내광 조도 아래에서는 색소증감 태양전지가 실리콘 태양전지보다 높은 것으로 보고되기도 했다. 이러한 관점에서 ‘후지쿠’라는 색소증감 태양전지를 실내용 전원소자로 이용한 온습도 센서 모듈도 출시됐다. 이 제품은 다른 태양전지와 비교해 조도가 변화했을 때의 발전 전압 변화가 적고, 50럭스 이하의 매우 어두운 환경에서도 발전 전압이 높으며, 인쇄법으로 제작하기 때문에 형상의 자유도가 높다는 색소증감 태양전지의 특징을 살려 개발한 사례다.

	▲ 플라스틱 기판 위에 가하는 산화티탄 막의 저온 제막법 예시

색소증감 태양전지의 과제 중 하나로 전해액의 고체화가 있다. 고효율 색소증감 태양전지에서는 액체 전해액이 사용될 때가 많으나, 용매의 휘발이나 패키징의 어려움 등 과제도 많아진다. 따라서 전해액의 젤화나 고체화의 연구도 진행되고 있다. 이러한 관점에서 일본 리코사의 실내용 고체형 색소증감 태양전지는 상당히 주목을 받고 있다. 리코의 고체형 색소증감 태양전지는 실내 LED 광원 아래에서 아몰퍼스 실리콘 태양전지보다 발전효율이 높은 것으로 보고된 바 있다.

게다가 리코의 경우 광전극 제조 과정 개량에 관한 연구도 진행 중으로, 광전극이 될 산화티탄 막을 150도 이하의 저온 소성으로 제막한 소자도 아몰퍼스 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 효율을 나타내기도 했다. 더욱이 이를 고체화함으로써 모듈의 직렬구조를 기존형 색소증감 태양전지와 비교할 때 쉽게 구성할 수 있다. 이는 곧 색소증감 태양전지의 가능성을 확대하는 성과라고 할 수 있다.

산화티탄 광전극의 저온 제막법 개발
색소증감 태양전지의 애플리케이션이 에너지 하베스트 등도 포함한 응용으로 주목받는 가운데, 산화티탄의 저온 제막법에도 관심이 높아지고 있다.
앞서 언급했듯이 광전극이 되는 산화티탄 막의 산화티탄 나노입자 간 네킹이 일어나기 위해서는 통상적으로 400도 이상의 고온 소성이 필요하다. 따라서 색소증감 태양전지의 연구는 대부분 유리를 기판으로 사용한 연구가 진행돼 왔다. 그런데 색소증감 태양전지가 에너지 하베스트 전원으로 소형 센서 등에 탑재될 가능성이 높아지면서 색소증감 태양전지도 보다 경량화 및 박형화될 필요가 높아짐에 따라, 전극의 플라스틱 필름화에 대한 요구도 점점 더 높아지고 있다.

최근에는 색소증감 태양전지와 관련해 산화티탄 전극의 플라스틱 필름화 또는 대향 전극 필름의 롤-투-롤(Roll-to-Roll) 제법에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 표 1은 플라스틱 전극기판 위로 가하는 산화티탄 막의 저온 제막법에 관해 최근 보고된 내용에 대해 정리한 것이다.

필자는 롤-투-롤 등의 고속 제막에 대응하도록 바인더 프리 페이스트의 도포와 건조만으로 산화티탄 광전극에 막을 씌우는 방법에 대한 연구개발을 진행해 왔다. 현재 스프레이 도포법 등을 통해 용매를 건조시키는 동시에 산화티탄 나노입자의 네킹을 촉진시키는 방법으로 극히 단시간 내에 광전극을 제막하는 방법을 개발 중이다. 그 결과, 산화티탄의 중량비를 70wt%까지 높인 알코올수 계열 페이스트에서는 산화티탄 나노입자의 네킹이 효율적으로 일어난다는 것을 알 수 있었다.

그 모식도를 그림 2로 나타냈다. 산화티탄 나노입자의 수분산계에 있어서는 산화티탄 입자는 수화되고 있을 것으로 보이지만, 산 등의 촉매 밑에서는 표면 수산기끼리 탈수 축합이 일어나며 입자 간 네킹을 촉진하는 것으로 보인다. 이러한 산 촉매 아래에서 탈수 축합에 의한 입자 간 네킹을 촉진하기 위해 물을 주용제로 고농도 산화티탄 분산액을 조정하는 방법의 연구를 진행했다. 지금까지 산화티탄 농도가 50wt%인 바인더를 포함하지 않는 수계 고점도 산화티탄 페이스트 개발에 성공했으며, 현재 스크린 인쇄에 의한 산화티탄 전극 필름의 고속 대량생산에 관한 검토도 진행하고 있다. 수계의 산화티탄 페이스트를 이용함으로써 제조 공정의 환경 부담도 줄이는 것을 목표로 하고 있다.

스크린 인쇄법의 장점은 스크린 판을 이용해 다양한 전극 디자인을 자유롭게 설계할 수 있다는 것이다. 스크린 인쇄법은 색소증감 태양전지의 가능성을 크게 확대할 것으로 기대된다.
태양전지 기판으로 플라스틱 필름을 이용하면 경량이라는 점 때문에 휴대성이 상승하므로, 휴대할 수 있는 범위의 다양한 광 환경 아래에서 이용할 수 있을 것으로 보인다. 우리들은 태양광에서 실내조명까지 다양한 밝기의 환경에서 생활을 하고 있으며, 야외와 실내에서는 그 밝기가 100배 이상 차이가 나기도 한다. 태양전지의 출력 전류, 전압은 빛의 강도에 크게 의존하므로 사용 환경을 상정한 모듈 설계가 필요하다.

한편, 모듈 설계의 높은 자유도는 인쇄방식으로 제조 가능한 색소증감 태양전지의 특징 중 하나라 할 수 있다. 플라스틱 색소증감 태양전지에 기대되는 애플리케이션 중 하나는 모바일 기기의 충전기다. 이는 유저가 실제로 패션 아이템으로 가지고 다닐 것으로 기대되는 만큼 색소증감 태양전지가 적용된다면 다양한 디자인 요구에 대응할 수 있다.

사진 2는 휴대용 기기 충전 등을 목적으로 한 플라스틱 모듈 제품의 시작품 이미지를 나타낸 것이다. 리튬이온 전지의 충전에는 8직렬의 직렬 모듈이 효율적이었다. 시험 제작한 모듈의 I-V 특성을 형광등 바로 아래 외광이 들어오는 창가 및 실내에서 실시했을 때 이 모듈의 최대 출력을 가하는 전압치(Vmax)는 조도에 따라 대부분 변하지 않았다.

색소증감 태양전지의 출력 전압치가 낮은 조도에서는 광전극에서 전해질로의 역전자 이동반응 때문에 저하된다는 사실에서 우리 연구팀은 낮은 조도에서의 출력 전압치 저하를 최소한으로 하기 위해 전해질 조성에 대해 검토를 실시하는 한편, 야외의 강한 태양광부터 실내의 약한 조명 빛까지 출력 전압치의 변동이 크지 않도록 설계했다. 또한, 현재 이렇게 제작한 모듈로 휴대용 모바일 기기를 충전하는 것에 대해 연구를 진행 중에 있다.

색소증감 태양전지 계측 및 평가
앞서 말했듯이 색소증감 태양전지는 야외 태양광에서뿐 아니라, 낮은 조도의 형광등 및 백열등, 발광 다이오드 등 다양한 광원 아래에서의 이용도 기대된다.

광원의 특성을 설명할 때 기본적인 파라미터는 밝기와 색이다. 광원의 밝기에 관해서는 다양한 표현이 있는데, 가정 내 형광등 등의 밝기는 ‘럭스’로 나타내는 경우가 많다. 럭스는 광원에서 방사돼 어떤 면에 조사되는 빛에너지 중 인간의 눈으로 지각할 수 있는 빛에너지를 측정한 것이다. 맑은 날 야외의 밝기는 약 10만럭스인 반면, 일반 사무실 등에서의 밝기는 500~1,000럭스 사이에 해당한다. 태양광의 밝기는 실내의 밝기에 비해 럭스로 볼 때 100배 이상이나 높은 수치인 셈이다. 단, 일반적으로 사용되는 럭스의 단위가 인간의 시감도에 의존하는 것에 비해, 태양전지는 흡수할 수 있는 가시광뿐 아니라 자외선에서 적외선까지를 전부 고려할 필요가 있다. 이때 각 파장의 강도 분포가 광원의 색에 대응하는 부분의 스펙트럼에 해당한다. 기준이 되는 태양전지의 출력평가는 단색광을 비춰 평가하는 것이 아니라, 광원에서 방사되는 모든 빛을 조사해 측정하므로 광원의 밝기(강도)와 색(스펙트럼)은 매우 중요하다.

태양전지 분광감도의 특성은 외부양자효율(EQE : External Quantum Efficiency) 또는 IPCE(Incident Photon to Current Efficiency)의 파장 의존성에 의해 평가하는 것이 일반적이다. 광원의 방사 스펙트럼(예를 들어, 태양광 스펙트럼)을 이해한다면, IPCE 스펙트럼에서 단락전류밀도(Jsc)를 계산으로 구할 수 있다.

여기서 Pinλ는 각 파장에 있어 광원의 광 강도(mWcm-2nm-1), λ는 파장(nm), IPCE λ는 각 파장에 있어 태양전지의 IPCE(%)를 나타낸다. 이 식에서도 알 수 있듯이 광원의 Pinλ와 IPCE λ가 크게 겹쳐질수록 광원의 이용 효율은 높다.

현재 개발이 진행되고 있는 태양전지 중에는 색소증감 태양전지나 유기 박막 태양전지처럼 실내 용도에 적합한 태양전지도 있다. 예를 들어, 일반적으로 연구되고 있는 색소증감 태양전지는 300~800nm의 가시부 광을 이용해 발전하지만, 적외파장에는 분광감도를 가지지 못한다. 따라서 ‘태양전지’로서의 효율을 더욱 높이려고 한다면, 특히 장파장부(적외부)에 흡수하도록 하는 색소설계나 광학설계를 하게 된다.

한편, 실내 용도에 착안해 이를테면 형광등과 같이 실내조명에서의 사용을 고려할 경우에는 반드시 적외부에 분광감도를 가지게 할 필요는 없다. 그림 3은 대표적인 루테늄 착체색소 N719를 이용한 색소증감 태양전지의 IPCE 스펙트럼과 일반적인 백색 LED의 방사 스펙트럼을 비교한 것이다. 이를 통해 N719 색소를 이용한 색소증감 태양전지에서는 IPCE 스펙트럼과 백색 LED의 방사 분포 스펙트럼이 자주 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 관련해 AM1.5G 기준 태양광 스펙트럼 아래에서 에너지 변환효율이 10%인 색소증감 태양전지를 200럭스 정도의 백색 LED 아래에서 측정했을 경우의 출력은 같은 조건 아래에서 단결정 실리콘 태양전지 출력의 2배 이상이 된다는 예시도 보고되고 있다.

이 같은 결과는 색소증감 태양전지의 외부양자효율은 가시광의 파장범위에서 실리콘 태양전지보다 높으므로 백색 LED 아래의 출력에 대해 유리하다는 것을 의미한다. 따라서 태양광에서뿐 아니라, 다양한 광원에서의 사용도 고려되는 태양전지에 관해서는 광원의 방사 스펙트럼과의 매칭도 고려해야 함을 알 수 있다. 단, 급속하게 이용이 확대되고 있는 LED의 경우에는 점등방식에 의한 색소증감 태양전지의 발전 성능에 대해서도 고려해야 한다.

색소증감 태양전지는 전해액 구성 등에 따라 빛의 ON/OFF에 대한 응답이 수백 mm초에서부터 초 단위로까지 느려진다. 형광등이 전원 교류의 주파수에 대응해 깜빡임이 있다는 것은 잘 알려져 있는 사실이지만, LED는 밝기 제어를 고속 점멸의 점등시간으로 제어하는 방식(PWM 방식)도 있다. 일반적으로는 광원과의 거리가 멀어지면 어두워지지만, PWM 방식 등에서는 점멸 상태에 따라 인간이 감지하는 밝기를 제어한다(그림 4). 따라서 실내에서의 색소증감 태양전지 발전량을 평가하기 위해서는 이러한 광원의 점등방식 등에 대해 고려할 필요가 있다.

색소증감 태양전지의 이용 및 해결과제
색소증감 태양전지는 저비용 태양전지라는 점으로 인해 연구가 진행돼 왔으나, 최근에는 실내조명과 같은 미약광에 있어서의 광전변환의 특징 때문에 에너지 하베스트용 전원으로 실증 시험도 진행되고 있다.
또한, 인쇄방식으로 전극을 제막할 수 있는 색소증감 태양전지는 플라스틱 기판을 이용한 박형 경량소자로 함으로써 환경 센서 등으로 적용을 확대할 수 있다. 빛은 인간의 생활환경에 반드시 필요한 보편적인 에너지이므로, 광발전 소자를 탑재한 환경 센서로의 확장은 에너지 절약 사회가 목표로 하는 빌딩 등의 공조 등과 같은 치밀 제어에도 필수불가결하다.

한편, 형광등이나 백색 LED를 비롯한 실내 인공 광원에서의 발전효율에 대해서는 향후 해결해야 할 과제가 많다. 앞으로의 색소증감 태양전지는 보다 실내광 활용을 목표로 한 광흡수 색소 개발 및 전해액의 고체화 연구 쪽으로 진행될 것으로 전망된다.

이케가미 마사시(Ikegami Masasi)
일본 토인 요코하마대학 대학원 공학연구과 준교수

SOLAR TODAY 편집국(st@infothe.com)

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