안드레아스 힌치(Andreas Hinsch)

1994년 스위스의 유리 회사인 글라스 트로스치에서 염료감응 태양전지 연구개발 프로젝트 책임자로 직업적인 경력을 쌓기 시작한 필자는 1997~2001년까지 네덜란드 ECN의 에너지연구소에서 수석연구원을 역임했다. 이곳에서 필자는 염료감응 태양전지 장치와 안정성에 대한 EU 프로젝트 조정관으로 근무했으며, 2001년에 프라운호퍼 ISE에서 염료와 유기 태양전지 연구단체를 창설했다. 2007년부터 건물 통합형 염료감응 태양전지 모듈의 제품 개발을 위한 상용화 관련 활동에 몸담아온 필자는 800회 이상 인용된 DSC와 OPV에 관한 40개 이상의 간행물을 출간했으며, 7개의 특허권을 보유하고 있다.

염료감응 태양전지

옥상용으로 사용되는 PV 애플리케이션의 강력한 시장 성장세에도 불구하고 매우 약한 수준의 PV 모듈만이 현재까지 건물 통합형 시장에서 판매되고 있다. 전기도 생산하는 유리 소재이면서도 건물 통합형인 PV 모듈의 이상적인 형태는 DSC 기술을 통해 실현될 수 있다. 유리에 프린트되는 염료감응 태양전지(DSC)는 비교적 디자인 설계가 자유로우면서도 건물 통합형 모듈에 맞는 미적으로도 손색없는 외관을 제공한다. 완전히 새로운 유형의 태양전지를 대표하는 DSC는 또한 비용 면에서 획기적인 태양광 기술로 간주되고 있다.

염료감응 태양전지는 광전기 화학 전지이다. 전기 에너지로의 변환 과정은 광합성과 유사하다. 원칙적으로 DSC는 제조가 간단하고 나노소재의 연구와 상용화의 좋은 예이다. DSC는 다공성 티타늄 이산화물(TiO2)로 만들어진 얇은 단결정질 운반 층을 기반으로 한다. TiO2의 넓은 내부 표면은 염료 분자와 화학적으로 결합한다(그림 1). 염료감응 모듈의 광자극 이후에 전자가 주입되고 TiO2 광전극에 모인다. 전해액은 반대 전극에 남아 있는 양전하 운반 매개체를 운반하는 데 사용된다. DSC는 프린트에 기반하며(사진 1), 고가의 진공 기술이 필요 없다. 면적 당 활성 소재의 필요한 양은 적은 편이다. 염료에 대해서는 1g/m2(평방미터 당 1그램) 전해액에 대해서는 30ml/m2(평방미터 당 30ml) 미만 수준이다.

DSC는 15년 이상 새로운 형태의 태양전지 기술로 각광받으며 집중적인 연구의 대상이 되었다. 초기의 기대와는 달리 연구실의 실험 단계에서 실제적인 모듈 생산 단계로 기술을 발전시키는 데는 생각보다 아주 복잡하고 까다로우며 많은 시간이 소요되는 것으로 밝혀졌다. DSC의 기본적인 제조 원칙은 간단한 것이지만 아직 전 세계의 여러 연구 단체에서 최적화를 위해 연구 중인 전혀 새로운 소재와 전지 개념, 제조 공법을 개발해야만 했다. 

최초의 시장 도입과 관련해 DSC의 한 가지 장점은 건물 통합형 PV에 적합한 DSC를 만드는 장식적 측면들과 태양전기를 결합한 것이다. 지난 세월 동안 DSC 모듈의 시범 적용에 많은 노력을 기울여왔다1)~4). DSC 모듈의 성공적인 규모 확대와 향후 인증에는 적합한 모듈 개념과 제조 공정의 선택이 뒤따라야 한다5). 특히 DSC의 장기적인 사용 시에 전해액의 내부 공간 확산은 반드시 차단해야 한다6). 기본적인 미세한 상황의 분석을 요하는 품질 관리 방법도 아주 중요하다.

프라운호퍼 ISE의 DSC 모듈 개발

프라운호퍼 ISE의 DSC 연구 개발은 10년 이상의 경력을 자랑한다. 프라운호퍼 ISE는 연구소 실험 과정에서 규모 확대와 관련된 문제들에 집중하고, 산업계의 비즈니스 파트너들과 협력해 소재 최적화를 꾀하며, 품질 관리를 위한 최적의 방법을 개발하는 것을 목표로 한다.

이 연구소의 작업 원칙 때문에 DSC에는 소량의 액체나 젤 형태의 전해액이 함유되어 있다.  적합한 모듈 상호접속 개념과 소재의 개발은 따라서 전해액의 완벽한 밀봉에 좌우된다고 해도 과언이 아니다. 프라운호퍼 ISE는 업그레이드가 가능한 독특한 유리 원료 밀봉 기술을 사용해 소위 구부러진 형태의 상호접속 성능을 갖춘 DSC 모듈 개발에 성공했다. 장기간의 사용에 적합한 유리 소재 밀봉은 또한 스크린 프린트 공정에도 적용된다.

현재 10×10cm 규격의 DSC 모듈에서 7.1%라는 태양광 효율성은 현실적인 수준에 도달했다(75%). 이러한 모듈은 내부에 2겹으로 상호 연결되어 있다. 유럽의 태양광 프로젝트에서는 표준형 PV 모듈 인증과 유사한, 즉 섭씨 85℃(1,000시간의 일광과 섭씨 -40~85℃ 열 주기)에서 몇 가지의 가속된 노화 실험이 이 모듈에서 실시되었는데, 그 결과는 매우 고무적이며 향후 전망은 상당히 밝은 수준이다. 실험 후에 고작 10% 미만 수준의 성능 저하가 소형 모듈에서 이미 확인되었다. 동일한 공정에 기초해 모듈 크기의 성공적인 확대가 이루어져 유리 재질에 통합되는 데 적합한 특성이 증명되었다. 충분한 수의 시험 제작 원형이 생산됨과 동시에 넓은 면적의 DSA 모듈의 적합성 실험이 금년 중에 시작될 계획이다.

프라운호퍼 ISE의 60×100cm2 모듈 원형(사진 2) 제작이 산업 표준 절차와 기계를 사용해 이루어지고 있는 단계이다(사진 3). 염료와 전해액을 적용하기 위해서는 맞춤형 건물 내장형 개발이 필요했다. 따라서 슈튜트가르트에 위치한 프라운호퍼 IAO와 협력해 프라운호퍼 ISE는 대형 염료감응 태양전지 모듈을 자동적으로 최종 밀봉하는 장치를 개발했다. 밀봉에서 액체의 흐름과 누수 감지의 정확한 제어가 가능하다. 이 장치를 통해 향후 입증 프로젝트와 현장 시험을 위한 모듈의 제작이 가능할 것이며, 시범 공정 생산 라인을 제작이 가능한 확실한 기술적 발전이 이루어졌다.

DSC 모듈의 제조에는 그림 2에서 제시된 바와 같이 9개 단계의 방법이 뒤따른다. 기질로서 저가의 편평한 유리는 투명 전도성 산화물(TCO)로 코팅되어 있는데, 이것이 DSC 모듈 제작에 이용된다. 기질은 구멍을 뚫고 투명 전도성 산화물(TCO) 층은 레이저로 전기적으로 분리된다. 유리의 미세한 균열을 방지하기 위해 특수 레이저가 사용된다. 유리 소재 판을 비롯한 모든 층은 스크린 프린트가 되고 그 후 건조과정이 이어진다. 프린트된 층의 유기성 잔여물은 그 후 단순한 신터링 단계에서 제거된다. 그 다음에 유리 소재 판은 유리 소재가 내·외부 밀봉 부분에 침투해 흡착될 수 있는 온도의 오븐으로 들어가 용해된다. 이 용해 과정에서 유리의 기계적 응력은 풀리고 유리 소재 판은 일정한 거리로 자리를 잡는다. 이상적인 경우 이러한 과정을 통해 단일 유리판의 역학적 성질이 얻어지는 것이다. 다음 단계에서 염료 용해와 전해액이 이후에 밀봉되는 채워진 구멍을 통해 제거된다. 이 채움 방법의 효과는 화학물질이 밀폐된 튜브 시스템에서 쉽게 처리된다는 것이다. 이때 사용되는 화학물질은 모듈에서 수분의 증기 흡수를 방지할 때 장기적인 안정성에 필수적인 성분이다.  

흥미로운 것은 유리 기질, 유리 취급, 열처리는 박막 태양전지 모듈의 저렴한 생산에서 이미 활용되는 것과 유사한 방식이라는 점이다. 그러나 DSC에서는 상당히 더 저렴한 투자비용이 예상된다. 왜냐하면 진공 설비가 필요 없기 때문이다.

응용과 제품 개발

기술 발달 및 모듈 발전과 더불어 건물 통합형 PV(BIPV) 분야에서 사용되는 주된 디자인 구조의 적절한 활용 방법이 도입되었다. 이러한 목적으로 BIPV의 다양한 응용과 DSC 모듈과 같은 새로운 PV 제품의 요건을 평가하기 위해 전문가 인터뷰와 워크숍이 실시되었다. 결과는 세 가지의 시나리오로 나눠 벽 클래딩, 구조적인 유리 공사, 옥상 설치로 요약되어 있고, 이는 이후 상세하게 설명된다. 워크숍의 중요한 결과는 대체되는 외장 자재와 에너지 절감처럼 전체적인 시스템 비용을 고려하면 DSC 기반 BIPV의 여러 가지 애플리케이션은 가격적으로 경쟁력 또한 갖추고 있다는 것이다. 연구에서는 추가적인 100μ/m2는 유리 표면 요소의 가격에 DSC 모듈이 큰 비중을 차지하지 않기 때문에 적절한 선이다.

최근의 한 유럽 프로젝트 ‘Robust-DSC’에서 제품의 라이프 사이클 분석(LCA)이 프라운호퍼 ISE의 유리 소재 DSC 모듈에 대해 실시되었다. 라이프 사이클 분석(LCA)은 신제품, 신소재, 새로운 제품 공정의 생태 영향을 분석하는 방법이다. 인체의 건강, 생태계 질, 자원 고갈과 같은 지표에 대한 영향 중 70% 이상은 유리 기질에서 나오는 것으로 분석된다.  DSC에 특정한 소재와 공정의 추가적인 영향은 따라서 매우 낮은 수준이다. 이것은 또한 에너지 회수 시간에도 적용되는 말이다. 유리를 포함해 남쪽 방향의 DSC 표면에 있어서 에너지 회수 시간은 지역적인 위치와 예상되는 모듈 효율성에 따라 반년에서 1년 5개월까지이다. 다른 말로 하자면 DSC 모듈이 최소한 하나의 유리 기질에 할애되는 유리 표면으로 통합된다면 표면의 생산과 구축에 관계하는 에너지는 수명 주기 동안 생태계에 악영향을 미치지 않으면서 회수될 수 있다는 의미다.

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