1. 염료감응 태양전지 (Dye-sensitized Solar Cell)
염료감응 태양전지는 식물의 광합성 작용을 모티베이션하여 개발된 3세대 태양전지이다. 크게 빛을 흡수하는 역할의 광감응성 염료, 광감응성 염료를 지지하는 나노 티타니아 전극, 전해질, 촉매 상대전극으로 구성되어 있다. Si 또는 박막 태양전지와 같이 P/N 형 반도체의 접합을 사용하지 않고, 전기화학적 작용을 활용하여 전기를 생산하여 이론상 효율은 33%로 고효율이며 친환경적이라 그린 에너지로 주목받고 있다.
2. 원리
염료감응형 태양전지 (Dye Sensitized Solar Cee, DSSC) 는 스위스의 Gratzel 박사가 식물의 광합성 작용을 보고 영감을 얻어 개발한 전지로 작동전극(Working electrode), 전해질(Electrolyte), 상대전극(Counter electrode)로 구성되어 있다.
작동전극은 에너지 전자를 쉽게 흡수하는 산화물 반도체 표면에 부착되어, 식물의 엽록소와 같은 역할을 하게 된다. 따라서 외부의 빛이 염료에 닿으면서 전자가 에너지를 흡수하여 높은 어네지로 변하게 되고 이를 산화물 반도체가 받아 외부로 전달하게 된다. 높은 에너지의 전자는 외부 회로를 타고 이동하면서 에너지를 방출하면서 상대전극에 도달하게 된다. 이 때 작동전극의 염료에서 전자가 외부로 방출되었기 때문에 전해질 내부의 이온에서 한 개의 전자가 다시 염료로 공급되고 외부에서 상대전극으로 돌아온 전자는 다시 전해질 내부의 이온으로 전달되어 연속적인 에너지 공급과정이 발생하게 된다.
위 과정들은 작동전극과 전해질 사이와 상대 전극과 전해질 사이에서 이루어지는 전기화학반응으로 구성되어 있기 때문에 전극과 전해질이 접하는 면적이 넓을수록 많은 반응이 빠르게 진행된다. 또한 작동 전극의 표면면적이 넓을수록 다량의 염료가 부착되어 있어 전력 생산양이 증가하게 된다. 이러한 이유 때문에 전극 각각은 나노 입자를 소재로 사용하고 있다. 나노 입자를 사용하는 경우에는, 같은 부피양에서 표면적이 극단적으로 증가하기 때문에 많은 양의 염료를 표면에 부착할 수 있고, 전극과 전해질 사이의 전기화학 반응의 속도를 증가시키는 방법이 될 수 있다. 통상적으로 작동전극을 형성하고 있는 TiO2 전극의 경우, 20~50nm 수준의 나노입자가 10~20um 두께로 부착되어 있고, 그 위에 염료를 부착시킨다. 상대전극의 경우에는 10nm 미만의 크기의 백금입자가 기판에 부착되어있다.
3. 장점
염료감응 태양전지는 크게 4가지 장점을 가지고 있다.
1) 친환경성
태양전지를 구성하고 있는 나노입자, 염료, 요오드 전해질, 촉매 등 환경에 유해하지 않은 친환경적인 물질을 사용하여 환경적인 영향을 거의 없고, 폐기하더라도 환경오염이 발생하지 않는다.
2) 투명성과 채색성
기판 자체가 투명성을 가지고 있고, 염료에 따라 다양한 색상의 연출이 가능하여 건물 외벽이나 창문 등에 부착할 경우, 외관상에 미적요소로 작용할 수 있다.
3) 효율성
염료감응형 태양전지는 상대적으로 약한 빛에서도 발전이 가능하기 때문에, 매우 강한 빛을 직사로 받아 발전하는 기존의 Si 태양전지에 비해 건물 일체형 태양전지로는 훨씬 더 효율적으로 발전이 가능하다.
4) 제작용이
구조상 투명한 태양전지나 유연기판 태양전지로 제작이 가능하기 때문에 카튼형, 창문형 및 롤 형 등 다양한 형태로의 변형 및 가공이 가능하여 활용도가 우수하다고 볼 수 있다.
4. 향후 전망
기존의 태양전지 개발은 신소재 개발보다는 태양전지의 보급이나 설치 등의 시장확대에 초점이 맞추어져있었다. 하지만 앞으로는 개별 사용환경에 맞춘 태양전지 소재개발이 이루어 질 것으로 전망된다. 태양전지의 생활 침투도가 높아지고 있기 때문에, 소비자 요구사항에 따른 전지 소재 또는 형태의 개발이 이루어져야 한다.
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