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나노 복합재료 이온-겔을 사용한 염료감응 태양전지

전문가 제언: ○ 90년대 초 Graetzel 교수에 의해 발명된 염료감응태양전지(DSC), 일명 Graetzel 전지는 현재 태양전지의 대부분을 점하고 있는 실리콘 반도체 태양전지에 비해 낮은 가격, 단순한 제조공정, 독성물질 비사용 등의 희망으로 인해 차세대의 태양전지로 기대되고 있다.

○ DSC는 전지의 면적과 조사 광량에 따라 차이가 있으나 최고 약 11%의 에너지 변환효율을 보이고, 최근 80oC에서 1,000시간의 실리콘 태양전지 규격인 옥외 가속 열적 시험에 통과하고, 광흡수 파장역의 확장과 안정성이 향상된 염료 개발 등 실용화를 향한 눈부신 발전을 보이고 있다.

○ DSC는 그러나 아직 에너지 변환효율에서 실리콘에 많이 떨어지고, 장기 안정성과 환경에 문제가 되는 휘발성 전해질의 증발이나 누출에 대한 대책 등 실용화를 위한 여러 과제가 남아 있다. 본문은 전해질의 준고체화를 위해 일본의 Fujikura사가 일본정부 NEDO의 지원을 받아 연구한 나노 입자에 의해 겔화된 이온-겔 전해질의 개발 보고이다.

○ DSC 전해질에 사용되는 휘발성의 유기 용매는 점도가 매우 낮아 이를 이용한 전해질의 물리적 확산계수가 매우 크므로 에너지 변환효율은 가장 우수하다. 이를 극성이 강하며 열적으로 안정한 여러 이온성 액체로 교체하고, 더 나아가 산화티타늄과 같은 무기 산화물의 나노입자를 겔제(gelator)로 사용하여 이온성 액체를 준고체의 이온-겔로 만들었다. 이렇게 점도가 높아지면 물리적 확산계수가 낮아지는 데에도, 변환효율을 오히려 향상시키는 성공을 이룩한 것은 세계 최초의 성과이다.

○ 고점도 전해질의 에너지 변환효율에 직접 관련되는 전하 확산계수에서, I-/I3-의 농도가 높고, 이 두 이온의 몰 비율이 비슷한 경우, 교환반응에 의한 확산계수가 크게 증가하여 전체적인 확산계수의 증가에 공헌한다는 사실이 최근 밝혀졌다. Fujikura도 가설 모델을 내놓고 있다. 또한 아직 대형 사이즈의 패키지로 제조 시 변환효율이 단위 전지(6.4%)의 반 정도 (3.2%)로 저하되는 문제가 있으나 집전 그리드의 향상이나 전해질 조성의 개선 및 최적화에 의해 조만간 해결될 것으로 기대한다.

저자: Shozo Yanagida et al
자료유형: 학술정보