염료감응형 태양전지 양산 '눈앞'

◇ (주)다이솔 티모, 염료감응 태양전지 시범생산 라인 구축 완료
◇ 한국전기연구원 올 초 탄소나노튜브 이용 염료감응 태양전지 기술 이전
◇ 기존 실리콘 기반 태양전지 비해 경제성, 기술성, 활용성 우수

향후 태양전지 시장을 주도할 제3세대 태양전지 염료감응형 태양전지가 정부출연연구기관에 의해 개발, 한국 호주 합작사를 통한 양산화를 앞두고 있다.

태양전지업체 (주)다이솔 티모는 13일 기존 실리콘 기반의 태양전지보다 경제성, 기술성, 활용성 면에서 뛰어나 향후 태양전지 시장을 주도할 제3세대 태양전지인 염료감응 태양전지의 대량생산을 위한 양산 검증 라인 구축에 성공했다.

(주)다이솔 티모는 이번 시범생산라인을 통해 양산용 시제품을 소량 생산하여 판매한 이후, 2010년부터 본격적인 양산체제로 돌입한다는 계획이다.

차세대 염료감응 태양전지(DSSC;Dye Sensitized Solar Cell)는 실리콘을 사용하지 않고 친환경 염료를 이용해 태양빛을 전기로 바꿔주는 것으로 내년 양산화가 성공적으로 이뤄지면 우리 기업 손으로 세계에서 가장 먼저 상용화될 전망이다.

흔히 알려진 기존 태양전지는 투시가 안되고, 태양 빛을 직각으로 받아야 충전이 됐으나 이번에 양산화를 목표로 하고 있는 태양전지는 투명하고 식물이 광합성 작용을 하듯이 염료를 통해 자연스럽게 빛을 흡수해 전기로 바꿀 수 있는 장점이 있으며, 특히 태양을 비스듬히 비추거나 그늘진 곳에서도 일정한 발전이 가능해 건물 유리창이나 건물 외벽 등에도 설치가 가능하다. 그동안은 염료감응 태양전지를 수작업으로 만들 순 있었으나, 상용화를 위한 양산 장비가 없어 대량 생산을 기대하지 못했다. 따라서 2012년 이후에나 상업생산이 가능할 것이란 게 일반적 관측이었다.

그러나 지난 2008년 세계 최초로 탄소나노튜브(CNT)를 이용하여 상용화 가능한 염료감응 태양전지 대면적 모듈을 개발하는 등 탄소나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지 상업화 분야서 선도적 위치를 확보하고 있는 한국전기연구원(이하 KERI)의 기술력에 근거해 티모가 염료감응형 태양전지 분야 세계적인 기업인 호주 다이솔사(Dyesol)와 합작회사 (주)다이솔 티모를 설립하면서 예상을 깨고 내년 양산화를 목전에 두는 큰 진전을 이루게 됐다.

KERI 이동윤 박사팀은 2008년 12월 티모테크놀러지와 기술이전 협약을 맺고 올 상반기에 탄소나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지 기술의 이전을 모두 끝마쳤다. KERI는 대면적 염료감응형 태양전지 기술을, 티모는 전자부품 모듈을 만들고, 다이솔은 염료를 공급하는 역할을 한다.

KERI가 개발한 모듈은 최대 효율 6%, 서브모듈 크기 10cm x 10cm의 탄소나노튜브 상대전극을 이용한 염료감응형 태양전지 대(大)면적 모듈로서 순수 국내기술로 개발됐다.

탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지는 기존의 기술이 고가의 백금을 상대전극으로 사용하는 것에 비해 가격이 저렴하고, 화학적인 안정성이 뛰어나면서도 촉매특성이 우수한 탄소나노튜브를 사용한다. 따라서 태양전지의 특성은 유지하면서도 제작비용을 크게 낮춘 것이 특징이다.

전 세계적으로 출시된 제품이 전무한 탄소나노튜브를 이용한 염료감응형 태양전지를 이 박사팀이 독자적인 기술로 세계 최초로 개발하는데 성공함으로써, 실리콘 태양전지의 시장을 대체할 차세대 태양전지 분야에서 상용화를 서두르고 있는 일본을 비롯한 해외 기업들에 비해 열세였던 국내 기술 상황을 타개하는 동시에 국내외 태양전지 시장에서 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대받고 있다.

이동윤 박사팀은 태양전지 모듈의 생산과는 별개로 핵심부품인 탄소나노튜브 전극을 (주)어플라이드카본나노에 기술이전을 완료해 2008년 이미 관련 제품을 전 세계에 시판 중이다.

KERI는 또한 신기술의 개발과 기술적 보완을 위해 국내외 기업, 대학들과 다양한 공동개발도 진행 중에 있다. 특히 안정성을 높이기 위한 전극 기술은 미국의 일리노이대학과 공동연구 중이며, 탄소나노튜브 전극의 원리규명을 통한 신기술의 개발을 위해서 인제대학교 및 플로리다 대학과 공동연구를 수행 중에 있다. 또한 개발된 태양전지를 이용한 전기회로 기술 및 응용품의 개발을 부산대학교와 공동으로 수년 동안 수행해 오고 있다.

한편, 다이솔티모는 13일 핵심기술을 이전한 한국전기연구원(www.keri.re.kr) 유태환 원장을 비롯해 염료감응형 태양전지 원천 개발자인 마이클 그라첼(Michael Grazel) 교수(스위스 로잔공대)와 개빈 툴럭 다이솔사 회장 등 그동안 티모의 회사설립 및 연구개발, 사업기반 구축을 위해 적극 지원한 기관장과 업계 관계자 등이 참석한 가운데 경기도 성남시 다이솔 티모 본사빌딩에서 (주)다이솔 티모 ‘염료감응형 태양전지 시범생산라인(Pilot Line) 구축 런칭 행사’를 가졌다.

[용어설명]

1. 염료감응형 태양전지: DSSC(Dye-sensitized solar cell)
일반적으로 p형과 n형의 접합을 이용해 태양광을 전기로 변환하는 실리콘 태양전지로 대표되는 반도체 방식의 태양전지와는 달리, 식물의 광합성작용을 모사하여 염료와 전해질, 상대전극, 나노다공질 전극으로 구성된 화학적 원리를 이용하여 전기를 생산하는 태양전지를 일컫는다. 여기서 염료는 식물의 엽록소와 같이 태양빛을 받아들여 전기를 만들어내는 역할을 담당하고, 나노 다공질 전극은 만들어진 전기의 통로 역할을 수행한다. 반도체 방식의 태양전지와 달리 유기 물질과 유기물질을 복합적으로 사용하기 때문에 유기 태양전지로 분류한다. 이 전지는 높은 이론효율을 지니고 있고, 친환경적인 재료로 구성되어 있고, 다양한 색깔을 가지게 할 수 있고, 투명하게 제작하는 것이 가능한 기능적 장점을 지니고 있으면서도, 실리콘 태양전지의 1/5의 가격에 제작하는 것이 가능하여 차세대의 가장 유력한 태양전지로 기대되고 있다.

2. 탄소나노튜브: CNT(carbon nanotube)
탄소가 대나무와 같이 속이 빈 튜브 형태로 쌓아올려져서 구성된 구조를 지닌 물질. 보통 튜브들이 서로 연결되어 다발형태를 이루고 있으며, 지름이 1나노미터(10억분의 1m) 단위로 머리카락의 10만분의 1에 불과하다. 구리보다 전기를 1,000배나 잘 흘리고 강철보다 100배나 강해 다양한 전기전자 소재로 활용이 기대되는 꿈의 신소재다.

3. 차세대 태양전지 :
차세대태양전지는 Si박막 태양전지, CIGS 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기태양전지 등 현재 사용중인 실리콘 태양전지를 대체할 태양전지를 모두 통칭하여 일컫는 말이다. 이 중 현재 시장을 형성하고 있는 것은 아직 없다. 염료감응형 태양전지가 내년 상용화 되면 다른 차세대 태양전지에 비해 빨리 시장에 진입함으로써 업계의 주목을 받을 것으로 예상된다.

4. 서브모듈 :
염료감응형 태양전지에서 1 cm2 미만의 패턴이 없는 태양전지를 단위모듈, 그 이상의 대면적 전지를 서브모듈이라 부른다. 서브모듈의 크기는 5 cm x 5 cm 정도의 크기가 되어야 실용성이 있고, 10 cm x 10 cm의 크기가 적정한 크기로 보고 있으며, 필요에 따라 한 변이 50 cm 이상의 대면적을 만들기도 한다. 이 서브모듈을 모아서 하나의 큰 패널을 만든 것을 모듈로 부른다.

5. 효율(Efficiency) :
태양전지에서 효율은 태양전지에 입사된 태양에너지에 대해 생산된 전기에너지의 비를 이야기 한다. 그 측정기준이 되는 광원은 100 mW/cm2의 태양광 (1 sun, AM 1.5 global)으로써, 대부분의 경우 실험실에서 태양광 발생장치를 이용하여 유사태양광이 이용된다. 효율은 %로 표시하는 것이 보통이며, 실용적인 Si 태양전지의 효율은 12~13%이며, 염료감응형 태양전지는 최대효율 11%대로 알려져 있다. 그러나 태양전지의 실제 발전량은 태양광의 세기와도 연관이 있어, 효율로만 특성을 평가하지 않고 있다. 예를 들면 염료감응형 태양전지의 경우 효율은 낮아도 낮은 광량에서도 발전하는 능력이 우수하여 하루 동안의 총 발생량에서는 동일한 효율의 경우 Si 태양전지에 비해 30% 이상 발전량이 많은 것으로 알려져 있다.

[문의]
한국전기연구원 재료응용연구본부 에너지변환소자연구센터장 이동윤 박사
전화: (055) 280-1635 Fax. (055) 280-1590 Email : dylee@keri.re.kr

한국전기연구원 홍보실 류동수 팀장
전화 : (055) 280-1078 E-mail : bagdad73@keri.re.kr