스마트 시대를 위한 섬유 기반 유연 염료감응 태양전지
태양광 산업의 중심이었던 결정형 태양전지 시장의 회복세가 더딘 가운데, 업계는 불황을 타개하고 기술 경쟁력을 가지기 위해 박막 태양전지 및 고효율 태양전지 개발 등 다양한 노력을 기울이고 있다. 한국전기연구원은 태양전지 시장 활성화를 위한 수요자 중심의 스마트 기반 태양전지 개발을 위해 섬유 기반 태양전지인 ‘종이형 염료감응 태양전지’를 선보였다.
패러다임의 변화와 섬유형 태양전지의 필요성
태양전지 시장이 서서히 회복되고는 있지만, 예상보다 오랜 시간 동안 침체가 지속되고 있다. 이러한 원인으로는 과다한 공급, 중국의 저가 공세, 수요 예측의 실패, 지나친 설비 투자 등 다양한 이유를 꼽을 수 있다. 하지만 과연 지금까지 우리가 절대적으로 지지해 온 평판 실리콘 태양전지 위주의 패러다임에 문제는 없는지 짚어볼 시점이 된 것으로 판단된다.
급격히 변화하는 생활 속에서 모든 전기전자 기기는 스마트화, 고기능화, 3D화하고 있는 것이 현재의 추세다. 이런 시대에서 ‘1960년대에 우주용과 군사용으로 먼저 개발돼 상용화된 평판형 실리콘 태양전지가 아직까지도 오직 그 모습 그대로 유지되고 있는 것을 수요자들이 공감할 수 있을까’ 하는 의문이 드는 것은 자연스러운 일이다. 물론 지금까지 이런 문제를 생각해 보지 않은 것은 아니겠지만, 박막 태양전지의 상용화 지연과 실리콘 태양전지의 예상을 뛰어넘는 가격하락 때문에 구태여 그런 것을 감안할 필요가 없었을 것이다. 그러나 이제 태양전지 시장을 활성화시키기 위해서는 수요자 중심의 다양한 태양전지 개발이 필수불가결한 시점에 와 있다고 볼 수 있다.
스마트 기반의 세상에서 필요한 태양전지는 어떠한 특성을 지녀야 할까? 유연성, 곡면을 포함한 다양한 형상, 융·복합화의 가능성, 3D를 포함한 기능성 등이 그 핵심일 것이다. 필자는 이러한 다양한 특성을 동시에 지닌 태양전지가 과연 가능한가 하는 해답을 섬유 기반의 태양전지에서 찾고자 한다. 섬유 기반의 태양전지는 핵심 소재를 섬유로 사용함으로써 굽힘에 자유롭고 가벼우며 저렴한 가격에 제작이 가능할 뿐 아니라, 다양한 형상이나 용도로 사용이 가능하다. 특히, 차세대 스마트 의복이나 전자기기에 쉽게 적용할 수 있는 특성을 지닌 태양전지라는 것이 큰 특징이라 하겠다.
섬유 기반 태양전지를 만들기 위해서는 새로운 태양전지 구조의 설계, 나노기술을 바탕으로 한 섬유의 개발, 효율 향상 등의 핵심기술이 개발돼야 하는데, 현재의 기술 수준으로 섬유 기반 태양전지를 만들 수 있는 태양전지는 염료감응 태양전지가 가장 적합하다. 염료감응 태양전지는 pn 접합 반도체 기반의 다른 태양전지와 달리 전기화학적 원리로 작동되므로, 모든 소재를 섬유화해도 태양전지의 특성 발현에 아무런 문제가 없고, 오히려 효율 향상 측면에서 유리하다. 여기서는 한국전기연구원에서 개발한 종이형 염료감응 태양전지에 대해 집중적으로 소개하고자 한다.
종이형 염료감응 태양전지의 개념 및 구조
섬유 기반의 태양전지를 제조하기 위해서는 그에 맞는 태양전지의 구조, 섬유화된 소재, 유연기판에 대한 해결책이 있어야 한다.
먼저 태양전지의 구조에 대해 생각해 보면, 기존의 pn 접합형 실리콘 태양전지와 염료감응 태양전지를 제외한 박막 태양전지의 구조로는 섬유화가 어렵거나 사실상 불가능하다. 이는 섬유라는 1차원의 소재가 3차원 공간을 통해 연결돼 있기에 한 가닥의 섬유로는 태양전지의 제작이 가능하나, 수많은 섬유 가닥이 얽히게 되면 섬유 간의 전기적 단락을 방지하기 어렵기 때문이다.
그러나 염료감응 태양전지에서는 섬유가 복잡하게 얽히더라도 전자의 통로나 전해질 수용체 또는 상대전극으로만 작용해 섬유 다발 전체가 단일 기능만을 담당하므로 모든 구성요소를 섬유로 만드는 것이 가능하다. 즉, 염료감응 태양전지는 그 특성상 섬유형 태양전지를 만들기에 매우 적합한 구조를 지니고 있다고 할 수 있다. 그렇다고 하더라도 섬유형 염료감응 태양전지를 만드는 것이 쉽지 않은데, 그 이유로는 세라믹이라는 취성이 강한 물질을 섬유로 만들기가 쉽지 않다는 점과 실용적인 유연기판이 없다는 점, 그리고 실링 문제를 극복해야 한다는 점 등이 있다.
먼저 세라믹 전극의 섬유화에 대해 살펴보면, 염료감응 태양전지에서 양극으로 사용하는 TiO2의 경우 최근 섬유화 기술이 많이 발달해 그 제조법이 비교적 잘 알려져 있다고 할 수 있다. 그러나 TiO2 섬유를 만들어서 사용하는 것도 실제 양산면에서 문제가 있는데, 높은 제조 비용과 태양전지를 만들었을 때의 낮은 효율이 상용화의 걸림돌이 될 것으로 예상된다.
나노섬유보다 더 큰 문제는 기판의 문제다. 일반적으로 유연기판으로 사용하는 ITO와 같은 산화물계 전도성 기판은 실질적으로 유연성이 없다고 볼 수 있기 때문에 힘들여 내부 물질을 모두 섬유형으로 만들어도 기판 때문에 유연성을 구현할 수가 없다. 이 때문에 기존의 플라스틱이나 금속기판을 사용하지 않는 새로운 방법이 고안될 필요가 있다.
마지막으로 실링 문제는 염료감응 태양전지의 가장 큰 골칫거리 중 하나로, 근본적으로 이 문제가 지금까지 양산화를 막고 있다고 볼 수 있다. 염료감응 태양전지 내부에 들어 있는 액상 전해질과 기판의 극성 차이 때문에 전해질에 반응하지 않으면서 플라스틱 기판의 실링을 원활하게 해주는 상업용 접착제는 사실상 존재하지 않는다.
이상의 문제점을 감안해, 한국전기연구원은 이를 모두 만족시킬 수 있는 새로운 섬유형 태양전지의 구조를 그림 1과 같이 설계하고 제작하는 데 성공했다. 이 새로운 구조의 염료감응 태양전지는 중앙 일체형 구조라는 명칭을 붙였는데, 여기에서는 모든 구성요소들이 중앙의 금속메시를 중심으로 모두 일체형으로 붙어 있어 기판이 없이도 태양전지가 작동하도록 돼 있다. 양극, 음극, 전해질 및 스페이서가 모두 굽힘시에도 성능이 저하되지 않는 물질로 구성돼 있어 우수한 내구성과 경량성, 비교적 높은 효율을 지니는 것이 가능하다. 또한 0.5$/W 정도의 매우 저렴한 가격으로 제작할 수 있는 데다, 실링면에서도 플라스틱 밀봉만 하면 되므로 장수명화에 문제가 없다.
종이형 염료감응 태양전지 소재
종이형 염료감응 태양전지의 소재는 크게 금속메시, TiO2 나노입자, 유리종이, 백금 또는 카본나노튜브 촉매로 구성된다. 금속메시는 전기의 통로임과 동시에 TiO2 나노입자 전극을 고정시키는 역할을 담당한다. 그림 1에서 보는 바와 같이, TiO2 나노입자는 금속메시의 공간 속에 들어가서 안정적으로 자리를 잡고 있고, 그 표면에 광감응 염료를 지니고 있어 염료에 의해 생산된 전자를 금속메시로 전달한다. 이 때 금속메시는 그리드의 역할을 하므로 대면적화시 염료감응 태양전지에 필수적으로 요구되는 금속그리드의 제작을 필요 없게 하고, 우수한 전기전도도를 지니므로 대면적 모듈에서도 효율의 감소가 거의 없게 한다. 금속메시로 사용하는 금속으로는 Ti이 가장 안정성이 우수하고 높은 효율을 나타내지만, 실용상 저가의 스테인리스강을 사용해도 문제가 발생하지 않는다.
유리종이는 다공질체로서 양극과 음극을 격리시킴과 동시에 내부에 전해질을 지니고 있어 준고체 전해질과 같은 작용을 한다. 또한 그 표면에 백금 또는 탄소나노튜브 촉매를 코팅해 자체적으로 상대전극을 보유하고 있다. 이렇게 전해질, 스페이서, 상대전극을 일체화함으로써 내구성과 안정성 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
종이형 염료감응 태양전지의 특성 및 상업성
종이형 염료감응 태양전지가 가지고 있는 가장 큰 장점은 굽힘이 자유롭다는 것이다. 이 태양전지는 그림 3에서 보는 바와 같이, 1cm 가량의 곡률에서도 평판 효율의 80% 가량의 효율을 유지하고 있으며, 1,000회 이상의 반복 굽힘에도 효율이 거의 저하하지 않는 특성을 지니고 있다. 유리나 금속과 같은 기판을 사용하지 않으므로 무게도 매우 가볍고, 대면적화에도 전혀 문제가 발생하지 않는다. 소재들이 모두 저가의 물질들을 사용하므로 가격도 매우 저렴하고, 공정도 태양전지 제조에 사용하는 공정들에 비해 매우 단순한 장비만을 사용해 이뤄진다. 유일한 문제는 기존의 태양전지 공정과는 다른 새로운 공정들로 이뤄지므로, 양산을 위해서는 양산 장비를 별도로 개발할 필요가 있다는 것이다. 그러나 고가의 시설 투자가 필요 없으므로, 새로운 장비를 개발해 제작하더라도 타 태양전지에 비해 적은 비용으로도 양산라인을 구축할 수 있으리라 생각된다.
이상과 같이 차세대 스마트 시대에 필요한 새로운 태양전지로 개발된 종이형 염료감응 태양전지를 간략히 살펴봤다. 한국전기연구원은 이러한 종이형 태양전지뿐 아니라, 직접 섬유를 이용해 태양전지를 직조하는 직조 섬유형 태양전지의 개발을 진행하고 있으며, 다양한 새로운 태양전지 개념을 도출하고자 노력하고 있다. 아무쪼록 태양전지의 신시대를 열 수 있는 우수하고 실용성이 높은 기술이 우리나라에서 속속 개발되기를 기대한다.
태양광 산업의 중심이었던 결정형 태양전지 시장의 회복세가 더딘 가운데, 업계는 불황을 타개하고 기술 경쟁력을 가지기 위해 박막 태양전지 및 고효율 태양전지 개발 등 다양한 노력을 기울이고 있다. 한국전기연구원은 태양전지 시장 활성화를 위한 수요자 중심의 스마트 기반 태양전지 개발을 위해 섬유 기반 태양전지인 ‘종이형 염료감응 태양전지’를 선보였다.
패러다임의 변화와 섬유형 태양전지의 필요성
태양전지 시장이 서서히 회복되고는 있지만, 예상보다 오랜 시간 동안 침체가 지속되고 있다. 이러한 원인으로는 과다한 공급, 중국의 저가 공세, 수요 예측의 실패, 지나친 설비 투자 등 다양한 이유를 꼽을 수 있다. 하지만 과연 지금까지 우리가 절대적으로 지지해 온 평판 실리콘 태양전지 위주의 패러다임에 문제는 없는지 짚어볼 시점이 된 것으로 판단된다.
급격히 변화하는 생활 속에서 모든 전기전자 기기는 스마트화, 고기능화, 3D화하고 있는 것이 현재의 추세다. 이런 시대에서 ‘1960년대에 우주용과 군사용으로 먼저 개발돼 상용화된 평판형 실리콘 태양전지가 아직까지도 오직 그 모습 그대로 유지되고 있는 것을 수요자들이 공감할 수 있을까’ 하는 의문이 드는 것은 자연스러운 일이다. 물론 지금까지 이런 문제를 생각해 보지 않은 것은 아니겠지만, 박막 태양전지의 상용화 지연과 실리콘 태양전지의 예상을 뛰어넘는 가격하락 때문에 구태여 그런 것을 감안할 필요가 없었을 것이다. 그러나 이제 태양전지 시장을 활성화시키기 위해서는 수요자 중심의 다양한 태양전지 개발이 필수불가결한 시점에 와 있다고 볼 수 있다.
스마트 기반의 세상에서 필요한 태양전지는 어떠한 특성을 지녀야 할까? 유연성, 곡면을 포함한 다양한 형상, 융·복합화의 가능성, 3D를 포함한 기능성 등이 그 핵심일 것이다. 필자는 이러한 다양한 특성을 동시에 지닌 태양전지가 과연 가능한가 하는 해답을 섬유 기반의 태양전지에서 찾고자 한다. 섬유 기반의 태양전지는 핵심 소재를 섬유로 사용함으로써 굽힘에 자유롭고 가벼우며 저렴한 가격에 제작이 가능할 뿐 아니라, 다양한 형상이나 용도로 사용이 가능하다. 특히, 차세대 스마트 의복이나 전자기기에 쉽게 적용할 수 있는 특성을 지닌 태양전지라는 것이 큰 특징이라 하겠다.
섬유 기반 태양전지를 만들기 위해서는 새로운 태양전지 구조의 설계, 나노기술을 바탕으로 한 섬유의 개발, 효율 향상 등의 핵심기술이 개발돼야 하는데, 현재의 기술 수준으로 섬유 기반 태양전지를 만들 수 있는 태양전지는 염료감응 태양전지가 가장 적합하다. 염료감응 태양전지는 pn 접합 반도체 기반의 다른 태양전지와 달리 전기화학적 원리로 작동되므로, 모든 소재를 섬유화해도 태양전지의 특성 발현에 아무런 문제가 없고, 오히려 효율 향상 측면에서 유리하다. 여기서는 한국전기연구원에서 개발한 종이형 염료감응 태양전지에 대해 집중적으로 소개하고자 한다.
종이형 염료감응 태양전지의 개념 및 구조
섬유 기반의 태양전지를 제조하기 위해서는 그에 맞는 태양전지의 구조, 섬유화된 소재, 유연기판에 대한 해결책이 있어야 한다.
먼저 태양전지의 구조에 대해 생각해 보면, 기존의 pn 접합형 실리콘 태양전지와 염료감응 태양전지를 제외한 박막 태양전지의 구조로는 섬유화가 어렵거나 사실상 불가능하다. 이는 섬유라는 1차원의 소재가 3차원 공간을 통해 연결돼 있기에 한 가닥의 섬유로는 태양전지의 제작이 가능하나, 수많은 섬유 가닥이 얽히게 되면 섬유 간의 전기적 단락을 방지하기 어렵기 때문이다.
그러나 염료감응 태양전지에서는 섬유가 복잡하게 얽히더라도 전자의 통로나 전해질 수용체 또는 상대전극으로만 작용해 섬유 다발 전체가 단일 기능만을 담당하므로 모든 구성요소를 섬유로 만드는 것이 가능하다. 즉, 염료감응 태양전지는 그 특성상 섬유형 태양전지를 만들기에 매우 적합한 구조를 지니고 있다고 할 수 있다. 그렇다고 하더라도 섬유형 염료감응 태양전지를 만드는 것이 쉽지 않은데, 그 이유로는 세라믹이라는 취성이 강한 물질을 섬유로 만들기가 쉽지 않다는 점과 실용적인 유연기판이 없다는 점, 그리고 실링 문제를 극복해야 한다는 점 등이 있다.
먼저 세라믹 전극의 섬유화에 대해 살펴보면, 염료감응 태양전지에서 양극으로 사용하는 TiO2의 경우 최근 섬유화 기술이 많이 발달해 그 제조법이 비교적 잘 알려져 있다고 할 수 있다. 그러나 TiO2 섬유를 만들어서 사용하는 것도 실제 양산면에서 문제가 있는데, 높은 제조 비용과 태양전지를 만들었을 때의 낮은 효율이 상용화의 걸림돌이 될 것으로 예상된다.
나노섬유보다 더 큰 문제는 기판의 문제다. 일반적으로 유연기판으로 사용하는 ITO와 같은 산화물계 전도성 기판은 실질적으로 유연성이 없다고 볼 수 있기 때문에 힘들여 내부 물질을 모두 섬유형으로 만들어도 기판 때문에 유연성을 구현할 수가 없다. 이 때문에 기존의 플라스틱이나 금속기판을 사용하지 않는 새로운 방법이 고안될 필요가 있다.
마지막으로 실링 문제는 염료감응 태양전지의 가장 큰 골칫거리 중 하나로, 근본적으로 이 문제가 지금까지 양산화를 막고 있다고 볼 수 있다. 염료감응 태양전지 내부에 들어 있는 액상 전해질과 기판의 극성 차이 때문에 전해질에 반응하지 않으면서 플라스틱 기판의 실링을 원활하게 해주는 상업용 접착제는 사실상 존재하지 않는다.
이상의 문제점을 감안해, 한국전기연구원은 이를 모두 만족시킬 수 있는 새로운 섬유형 태양전지의 구조를 그림 1과 같이 설계하고 제작하는 데 성공했다. 이 새로운 구조의 염료감응 태양전지는 중앙 일체형 구조라는 명칭을 붙였는데, 여기에서는 모든 구성요소들이 중앙의 금속메시를 중심으로 모두 일체형으로 붙어 있어 기판이 없이도 태양전지가 작동하도록 돼 있다. 양극, 음극, 전해질 및 스페이서가 모두 굽힘시에도 성능이 저하되지 않는 물질로 구성돼 있어 우수한 내구성과 경량성, 비교적 높은 효율을 지니는 것이 가능하다. 또한 0.5$/W 정도의 매우 저렴한 가격으로 제작할 수 있는 데다, 실링면에서도 플라스틱 밀봉만 하면 되므로 장수명화에 문제가 없다.
종이형 염료감응 태양전지 소재
종이형 염료감응 태양전지의 소재는 크게 금속메시, TiO2 나노입자, 유리종이, 백금 또는 카본나노튜브 촉매로 구성된다. 금속메시는 전기의 통로임과 동시에 TiO2 나노입자 전극을 고정시키는 역할을 담당한다. 그림 1에서 보는 바와 같이, TiO2 나노입자는 금속메시의 공간 속에 들어가서 안정적으로 자리를 잡고 있고, 그 표면에 광감응 염료를 지니고 있어 염료에 의해 생산된 전자를 금속메시로 전달한다. 이 때 금속메시는 그리드의 역할을 하므로 대면적화시 염료감응 태양전지에 필수적으로 요구되는 금속그리드의 제작을 필요 없게 하고, 우수한 전기전도도를 지니므로 대면적 모듈에서도 효율의 감소가 거의 없게 한다. 금속메시로 사용하는 금속으로는 Ti이 가장 안정성이 우수하고 높은 효율을 나타내지만, 실용상 저가의 스테인리스강을 사용해도 문제가 발생하지 않는다.
유리종이는 다공질체로서 양극과 음극을 격리시킴과 동시에 내부에 전해질을 지니고 있어 준고체 전해질과 같은 작용을 한다. 또한 그 표면에 백금 또는 탄소나노튜브 촉매를 코팅해 자체적으로 상대전극을 보유하고 있다. 이렇게 전해질, 스페이서, 상대전극을 일체화함으로써 내구성과 안정성 및 경제성을 향상시킬 수 있다.
종이형 염료감응 태양전지의 특성 및 상업성
종이형 염료감응 태양전지가 가지고 있는 가장 큰 장점은 굽힘이 자유롭다는 것이다. 이 태양전지는 그림 3에서 보는 바와 같이, 1cm 가량의 곡률에서도 평판 효율의 80% 가량의 효율을 유지하고 있으며, 1,000회 이상의 반복 굽힘에도 효율이 거의 저하하지 않는 특성을 지니고 있다. 유리나 금속과 같은 기판을 사용하지 않으므로 무게도 매우 가볍고, 대면적화에도 전혀 문제가 발생하지 않는다. 소재들이 모두 저가의 물질들을 사용하므로 가격도 매우 저렴하고, 공정도 태양전지 제조에 사용하는 공정들에 비해 매우 단순한 장비만을 사용해 이뤄진다. 유일한 문제는 기존의 태양전지 공정과는 다른 새로운 공정들로 이뤄지므로, 양산을 위해서는 양산 장비를 별도로 개발할 필요가 있다는 것이다. 그러나 고가의 시설 투자가 필요 없으므로, 새로운 장비를 개발해 제작하더라도 타 태양전지에 비해 적은 비용으로도 양산라인을 구축할 수 있으리라 생각된다.
이상과 같이 차세대 스마트 시대에 필요한 새로운 태양전지로 개발된 종이형 염료감응 태양전지를 간략히 살펴봤다. 한국전기연구원은 이러한 종이형 태양전지뿐 아니라, 직접 섬유를 이용해 태양전지를 직조하는 직조 섬유형 태양전지의 개발을 진행하고 있으며, 다양한 새로운 태양전지 개념을 도출하고자 노력하고 있다. 아무쪼록 태양전지의 신시대를 열 수 있는 우수하고 실용성이 높은 기술이 우리나라에서 속속 개발되기를 기대한다.
