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염료감응 나노 구조 태양전지의 광기전력 성능과 장기 안정성

전문가 제언: ○ 실리콘 태양전지가 태양전지의 대부분을 점하고 있는 중 획기적 가격 절감 희망을 보이는 나노 결정의 산화티타늄 다공성막에 흡착된 염료의 광여기에 의한 염료감응 태양전지(DSC; Dye Sensitized Solar Cell)가 1991년 발명되어 현재 최고 약 11%의 변환효율을 시현하고 있다.

○ 본 보고서에서 DSC 또는 Graetzel 전지의 발명자인 Michael Graetzel 교수는 1991년 이래 숙제였던 실리콘 태양전지의 옥외 응용규격인 80~85℃에서 1,000시간의 고온 가속 열응력시험을 최초로 만족시킨 기술적 발전을 기술하였다. 변환효율은 8%이지만 곧 향상이 기대된다.

○ 이 기술은 주로 사용되던 루테늄계 염료에서 N719 대신에 새로이 리간드를 개선하여 광 여기능력과 열안정성을 향상시킨 상명 K-19의 염료와 새로 시도된 흡착 수분과 불순물을 줄이는 공흡착제 DPA (Decyl Phosphonic Acid) 및 새로운 배합의 전해질로 구성되었다.

○ 또한 DSC용 염료가 20년 수명에 견딜 수 있는 반응속도 기준을 제시하였다. 염료의 광여기에 의한 전자주입반응이나 산화된 염료의 재생반응이란 주반응의 반응속도상수에 대한 분해 부반응 속도상수비가 1×10-8를 넘지 않아야 된다는 이론을 도출하고 실측 자료로 입증했다.

○ DSC는 현재 세계적으로 가격 경쟁력과 성능 개선을 위한 연구개발이 한창이다. 이 중 핵심부품인 염료의 발전이 눈부시다. 독성 우려가 있어 확인시험 중에 있기는 하지만, 루테늄계 착체가 주로 연구되고 있다. N3, N719, N749, Z907, K19 등이 계속 등장하여, 광흡수 파장 대역이 가시광선은 물론, 근적외선 영역을 넘고 있으며, 20년 이상의 수명을 위해 열응력과 수분에 대한 저항이 개선되고, 광여기 능력 향상을 위해 리간드에 파이 공액결합이 길어지고 있다. 우리나라의 정밀화학 기술이 이러한 석유 대체에너지 개발에 크게 공헌할 기회를 맞아 기대가 크다.

저자: Michael Graetzel
자료유형: 학술정보