모든 가시광 흡수 ‘염료감응 태양전지’ 개발

▲ 노랑, 빨강, 초록색의 세가지 염료가 이산화티타늄(TiO2) 필름에 선택적으로 수직배열돼 빛을 흡수, 전자를 발생하는 원리의 판크로마틱 염료감응 태양전지

국내 연구진이 가시광 전 영역의 빛을 흡수할 수 있는 ‘판크로마틱 염료감응 태양전지’ 기술을 최초로 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 태양전지연구센터 박남규 박사팀은 28일 네이처 머티리얼스에 이같은 연구 결과를 발표했다.

현재 주로 연구되고 있는 실리콘 태양전지는 효율은 좋지만 가격이 비싸다는 단점이 있다. 하지만 염료감응 태양전지는 가격이 싸고 태양전지판에 색깔을 넣을 수 있어 인테리어 효과도 거둘 수 있다는 장점이 있다.

기존 태양전지는 긴 파장이나 중간 파장, 또는 짧은 파장의 가시광선 중 하나만 선택적으로 전기로 변환할 수 있었다. 이는 각각의 파장을 받아들이는 염료를 함께 쓸 수 없었기 때문이다.

연구진은 이 연구에서 입자 사이의 빈 공간을 이용, 염료의 흡착과 탈착 속도를 조절해 각각의 파장에 맞는 염료를 함께 쓸 수 있는 기술을 개발했다. 그 결과 한가지 파장만 흡수할 수 있는 기존 염료감응 태양전지보다 이론적으로 약 50% 효율을 높일 수 있다는 사실을 알아냈다.

기존에 개발된 염료감응 태양전지의 효울이 11% 수준임을 감안하면 약 16%의 효율을 낼 수 있다는 것.

네이처 머티리얼스는 심사평에서 “가시광 전영역을 흡수하기 위한 세 가지의 서로 다른 색상의 염료를 나노결정 이산화티나튬(TiO2) 필름에 선택적으로 배열하는 것은 이제까지 누구도 실현하지 못한 어려운 기술”이라면서 “이를 실현함으로써 판크로마틱 염료감응 태양전지 실현의 새로운 지평을 열었다”고 평가했다.

박남규 박사는 “연구의 독창성을 국제학계가 인정했다”면서 “이 연구결과를 이용할 경우 1㎠당 최대 30㎃의 전류 생성이 가능해 기존 20㎃보다 50%정도 효율을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이 연구는 박남규 박사(교신저자)의 주도 하에 이경태 연구원(제1저자), 박세웅 연구원(공동저자), 김경곤 박사(공동저자), 고민재 박사(공동저자) 등 순수 국내 연구진의 노력으로 이뤄졌다.

/[e-mail]이재원기자