염료감응형 태양전지(DSC: dye sensitized solar cell, 일명 Gratzel cells)의 창안자(Inventor)인 스위스로잔에콜연방공대(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 Michael Gratzel 교수, 비휘발성(nonvolatile)의 이온성의 액체(ionic liquids)를 전해질(electrolytes)로 이용하고 유기분자(Organic molecular) 물질을 이용해 유기태양전지를 만들어, 2008년 2월에는 7.2%의 효율을, 8월에는 8.2%를, 그리고 이번에 9-10%의 효율을 달성하는데 성공했다.
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[목차]

1. 들어 가기 전에
2. 비휘발성 이온성 액체 전해질을 이용한 10% 효율의 유기태양전지, 고온에서 1,000시간을 버텨
3. 이온성 액체 전해질과 유기 분자 인돌린(Indoline) 염료
4. 상용화에 도전
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1. 들어 가기 전에 - 다은 내용을 사전에 학습하셔야 합니다.

[염료감응형 태양전지(DSC: dye sensitized solar cell)의 창안자(Inventor)인 스위스로잔에콜연방공대의 Michael Gratzel 교수, 버전업된 최신 염료감응형 태양전지 프로토타이프 개발, 2008년 2월 22일자 Angewandte Chemie International Edition에 "Organic Dye-Sensitized Ionic Liquid Based Solar Cells: Remarkable Enhancement in Performance through Molecular Design of Indoline Sensitizers(유기 염료감응형 이온성 액체베이스의 태양전지 : 인돌린 염료감응형의 분자 디자인을 통한 효율의 획기적 증대에 관한 연구)"라는 논문을 발표, 이번에 발표된 염료감응형 태양전지는 기존 버전들보다 더욱 견고하고 값싸게 만들 수 있어, 문제는 7.2%의 효율을 15%로 끌어 올리는 것(Toward Cheaper, Robust Solar Cells. Researchers are working on solar cells that use a novel organic dye(31/Mar/2008), 02449-EVT]

2. 비휘발성 이온성 액체 전해질을 이용한 10% 효율의 유기태양전지, 고온에서 1,000시간을 버텨

염료감응형 태양전지를 때로는 그레첼 전지(Gratzel cells)라 부르는데 그 이유는 창안자가 바로 스위스로잔에콜연방공대(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne)의 Michael Gratzel 교수이기 때문이다. Gratzel 교수는 그간 오래 동안 태양전지를 생산하는 비용을 줄이기 위한 미래의 기술을 개발해왔다. 바로 다음과 같은 Silicon 태양전지의 단점을 대체하는 기술에 도전하고 있다. 바로 손쉽게 구하고 생산할 수 있는 유기분자 물질과 특별한 전해질이며, 실리콘과 달리 유기물질은 프린팅 방식으로 대량 찍어 낼 수 있다.

Silicon 태양전지의 장점 - 효율이 높다(25%)
Silicon 태양전지의 단점 - Silicon이 반도체에 주로 사용되므로 이에 따른 공급부족으로 원료가 비싸고 따라서 태양광발전 구축비용이 높고, 생산하는 방식도 기존의 반도체 공정과 비슷해 생산비용이 높으며, Silicon이 금속 물질이므로 휘거나 접을 수 없고, 투명하지도 않으며, 다양한 색상을 구현할 수 없다.

문제는 효율이었다. 25% 효율의 Silicon 과 경쟁하려면 유기태양전지의 경우 최고 10%를 유지해야 한다. 그러나 지금까지 유기태양전지의 경우 그 전해질 용액으로 휘발성 전해질(volatile electrolytes)인 유기 솔벤트(organic solvents)를 사용했다. 따라서 전지 안에 아주 조심스럽게 봉해야(sealed) 기화되어 날아가지 않고 작동되므로, 그 만큼 비용이 들어가고 실제적인 생산에 걸림돌이 되어 왔다.

Gratzel과 중국 Chinese Academy of Sciences의 Changchun Institute of Applied Chemistry의 Peng Wang 교수는 비휘발성 전해질을 이용해 유기태양전지의 효율을 10%로 끌어 올렸다. 더군다나 놀라운 것은 이 유기태양전지를 빛에 쪼였을 때 매우 안정적이고 견고하였으며 고온에서 무려 1,000시간이나 버티고 있음도 확인되었다. "이번 연구 결과는 박막 기술이 넘어야 할 10% 산(10 percent hump)을 뛰어 넘는 획기적인 진전"이라고 MIT 공대의 기계공학과 교수인 Tonio Buonassisi는 말한다.

[그림 : 솔라 플렉스(Solar flex). 소위 그레첼 전지(Gratzel cells)라 불리는 염료감응형 태양전지는 새로운 이온성 액체 전해질과 유기 분자 인돌린(Indoline) 염료로 9-10%의 효율을 낸다. Credit: G24 Innovations]

3. 이온성 액체 전해질과 유기 분자 인돌린(Indoline) 염료

이들이 사용한 전해질은 바로 이온성 액체(an ionic fluid)로 많은 이온들로 이루어져 있고 때로는 용해점(melting temperatures)을 낮추는 소금으로 이루어져 있다. 이온성 액체는 플라스틱 전극(plastic electrodes)과 함께 사용되어 태양전지의 효율을 높일 뿐 아니라 접고 휠 수 있으며, 그러므로 옷, 자동차 커버, 기타에 직조하여 사용할 수 있다.

"우리는 이온성 액체가 9-10%의 효율을 가져다 줄지 꿈에도 생각치 못했습니다. 10년 전에 우리는 고작 1%의 효율을 기록했었습니다"라고 Gratzel은 말한다.

이들은 2008년 2월에 7.2%, 2008년 여름에 8.2%를 달성하고 이번에 10%를 달성한 것이다. 이들은 이온성 액체 전해질을 한 쌍으로 만들고 여기에 빛을 흡수하는 새로운 염료인 유기 분자 인돌린(Indoline)을 넣어 10%를 달성했다. 따라서 기존의 물질보다 빛을 훨씬 잘 흡수하므로 태양전지 크기를 반으로 줄일 수 있고, 크기가 작아져 전자들이 태양전지를 쉽게 빠져 나와 외부 전극에 쉽게 도달할 수 있다. 이 경우의 효율이 9.52%이다. 그리고 솔벤트베이스 전해질을 이용할 경우 10%의 효율을 달성했다.

이번 연구는 2008년 7월 23일자 Journal of the American Chemical Society에 "An Organic Sensitizer with a Fused Dithienothiophene Unit for Efficient and Stable Dye-Sensitized Solar Cells(고효율 내구성 염료감응형 태양전지를 위한 유기감응물질)"1)라는 논문과 2008년 11월 7일자 Chemical Communications에 "High-conversion-efficiency organic dye-sensitized solar cells with a novel indoline dye(새로운 인돌린 염료로 9.52%의 고효율 유기염료감응형 태양전지)"2)라는 논문으로 발표되었다.

1) Qin, Hao, Sophie Wenger, Mingfei Xu, Feifei Gao, Xiaoyan Jing, Peng Wang, Shaik M. Zakeeruddin, and Michael Gratzel, "An Organic Sensitizer with a Fused Dithienothiophene Unit for Efficient and Stable Dye-Sensitized Solar Cells(고효율 내구성 염료감응형 태양전지를 위한 유기감응염료물질)", Journal of the American Chemical Society, Vol. 130, No. 29, pp. pp 9202-9203, July 23, 2008.
2) Ito, Seigo, Hidetoshi Miura, Satoshi Uchida, Masakazu Takata, Koichi Sumioka, Paul Liska, Pascal Comte, Peter Pcchy and Michael Gratzel, "High-conversion-efficiency organic dye-sensitized solar cells with a novel indoline dye(새로운 인돌린 염료로 9.52%의 고효율 유기염료감응형 태양전지)", Chem. Commun., No. 41, pp. 5194 - 5196, 07 Nov 2008.

4. 상용화에 도전

Gratzel 교수는 현재 이 기술의 상용화를 위해 영국 Cardiff 소재 G24 Innovations와 협력하여 휴대폰을 충전시킬 수 있는 태양전지 응용 제품에 도전하고 있다. 호주의 Queanbeyan 소재 Dyesol은 빌딩에 사용할 수 있는 태양전지를 개발해 판매할 예정이다.

[소스]

[Chinese Academy of Sciences-Rosier future for solar energy conversion(24/Jul/2008)]
[Technology Review-Better Plastic Solar Cells(07/Nov/2008)]