실용화를 지향하는 염료감응태양전지의 발전전망 및 시장전망

염료감응 태양전지는 나노소재를 이용해 극대화된 표면적을 갖는 필름의 표면에 광흡수층인 유기염료를 흡착하는 기술을 이용하고 있기 때문에 반투명하면서 다양한 색상 구현이 가능하고 제조가격 또한 매우 저렴하다.

박 남 규 KIST 태양전지연구센터장

KIST 제작의 투명 컬러 특성을 보여주는 염료감응 태양전지 유리 창호 시제품

지구는 현재 연간 18,000×1012 Watt-Hour(18,000 테라와트시)의 전기를 생산하고 있는데 이는 인류가 사용하는 전체 에너지의 약 40%를 제공한다. 이런 규모의 전기를 생산하면 10 Gigaton(기가톤) 이상의 이산화탄소가 매년 만들어지는데, 이는 화석연료를 이용해 배출하는 이산화탄소 규모 중 가장 큰 부분을 차지하고 있다(Nature, Vol 454, p816 (2008)). 따라서 전세계적으로 저탄소 전기 생산 기술 개발이 절실히 요구되고 있는데, 태양전지는 이와 같은 요구를 만족하는 대표적인 저탄소 녹색기술에 해당한다.

태양전지는 기술의 진보에 따라 구분할 수 있는데, 흔히 제1세대 태양전지 기술은 벌크 실리콘 웨이퍼 기반의 실리콘 태양전지, 제2세대 태양전지는 유기물 및 무기물 박막 태양전지 기술, 그리고 제3세대 태양전지는 이론 효율의 한계 (32%)를 뛰어넘을 수 있는 기술로 구분한다. 제1세대 태양전지는 높은 에너지변환 효율과 대면적 양산기술이 이미 개발돼 시장의 90% 이상을 점유하고 있지만 높은 제조단가를 극복해야 하는 과제를 안고 있다. 저가의 태양전지를 지향하기 위해 제2세대 태양전지 기술에 대한 관심이 최근 탄력을 받고 있다. 제2세대 태양전지는 CIGS 및 실리콘박막 태양전지와 같은 무기물 박막 태양전지와 염료감응 및 유기폴리머 태양전지와 같은 유기박막 태양전지로 나눌 수 있다. 특히 염료감응 태양전지는 나노소재를 이용해 극대화된 표면적을 갖는 필름의 표면에 광흡수층인 유기염료를 흡착하는 기술을 이용하고 있기 때문에 반투명하면서 다양한 색상 구현이 가능하고 제조가격 또한 매우 저렴한 (실리콘태양전지의 1/4 정도) 장점을 가지고 있다. 사진에서와 같이 염료감응 태양전지는 투명 컬러 특성으로 인해 건물의 유리 창호, 자동차 선루프 등에 다양하게 응용돼 전기를 생산하는 신기능 윈도우로 활용할 수 있다.

염료감응 태양전지는 현재 셀 변환 효율이 10~11%로서 실용화가 가능한 기술이다. 하지만 실용화, 상용화를 위해서는 대면적의 모듈 양산기술에 대한 연구가 더 진행돼야 한다. 또한 셀을 구성하는 물질의 장기 안정성은 단위 셀에서 검정된 바 있지만, 모듈 관련한 내구성 연구가 좀 더 진행돼야 할 것으로 생각한다. 특히 실제 환경에 적응하기 위해서는 온도뿐만 아니라, 비와 습도와 같은 환경 테스트도 진행돼야 한다. 단위 전지에 대한 장기 안정성은 60℃에서 인공태양광 가속실험 결과 북유럽 조건에서는 약 32년 남유럽 또는 호주 시드니와 같은 지역의 조건에서는 18년 정도의 장기 안정성이 있는 것으로 확인된 바 있다(제 17회 IPS 학회, 호주 시드니, 2008년 7월 31일, 다이솔 업체 발표). 최근 일본의 후지쿠라 업체는 염료감응 태양전지 모듈의 수명을 비정질 실리콘 박막 태양전지 평가조건 (JIS-C8369)을 도입해 측정한 결과 10년의 장기안정을 확보했다고 보도했다(일경산업신문 2008년 10월 16일). 따라서 모듈에서도 장기 안정성이 예상되고 있다. 후지키메라 2006년 보고서에 따르면 염료감응 태양전지 시장은 2015년 약 2조6백억 원에 달할 것으로 예상하고 있다. 하지만 세계 태양전지 시장의 성장률이 매년 40% 이상 가파르게 증가하고 있는 상황과 세계 시장 규모가 2015년 약 120조원에 육박할 것으로 예측되는 점을 고려한다면 염료감응 태양전지 시장은 예상보다 더 커질 것으로 기대된다. 또한 새로운 환경친화적 도시의 건설과 기존 도시의 에너지절약형으로 리모델링하는 사업이 활발하게 전개된다면 투명 컬러 특성의 염료감응 태양전지의 수요는 더욱 늘어날 것으로 예상된다.

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