유 · 무기물이 복합된 반도체 염료로 매우 얇은(백만분의 1미터 이하) 산화물전극을 이용해 광전변환 효율을 극대화한(10%에 가까운, 기존 2배 이상) 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발됨에 따라, 향후 효율은 높으면서 가격은 저렴한 차세대 박막 태양전지 개발에 기반을 마련하였다.

성균관대 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 참여한 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자(도약연구) 및 글로벌박사펠로우십사업의 지원으로 수행되었다.

▲ 고체형 염료감응 태양전지 구조. (a)고체 염료감응 태양전지 디바이스, (b)고체디바이스의 단면구조, (c)실제 디바이스의  단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d)이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진

무한한 태양빛을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로서, 최근 전세계적으로 값싸면서도 효율 높은 차세대 박막 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다. 그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮아 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었다. 이를 해결하고자 최근 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려고 시도하고 있지만, 지금까지 최대 5~6%의 효율로 상용화를 위해선 여전히 부족한 실정이다.

박남규 교수 연구팀은 매우 작은(수 나노미터) 반도체(유무기하이브리드반도체) 염료를 매우 얇은(0.6마이크로미터) 이산화티타늄 필름에 흡착해, 표준 태양광조건에서 세계 최고 효율(9.7%)의 박막 태양전지를 개발하였다. 박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트 염료를 스핀 코팅하여 매우 빠른 시간(1분 이내) 내에 흡착할 수 있어, 장시간(12시간 이상)이 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장된다. 또한 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월하다.

박남규 교수는 “염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한(그리드패러티) 차세대 태양전지를 개발할 수 있다”고 연구의의를 밝혔다.