유기염료와 나노기술을 활용해 식물의 광합성 원리를 모방한 염료감응 태양전지. 이 전지는 빛에너지를 전기에너지로 바꿔 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 것으로, 그 성능으로 인해 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

염료감응 태양전지는 제조 공정이 단순하고 투명하게 제작이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 유기금속 염료를 사용해 가격이 다소 비싸고 광흡수 능력이 낮아 상용화에는 어려움이 있었다.

이런 가운데 국내 연구진이 세계 최고 수준의 고효율 유기염료를 개발해 주목을 받고 있다. 강진규 DGIST 차세대융복합연구센터 박사팀이 염료감응 태양전지의 광전변환효율을 세계 최고 수준인 11.2%로 끌어올리는 고효율 유기염료 개발에 성공한 것이다.

광흡수 영역 확장된 새로운 유기염료 합성 성공

강진규 박사팀은 자체 기술개발을 통해 넓은 파장의 영역에서 빛을 흡수할 수 있도록 광흡수 영역이 확장된 페노시아진 기반의 새로운 유기염료를 설계 및 합성하는데 성공했다. 소수성의 기능성기를 첨가해 전자 전달을 극대화함으로써 유기염료 기반 염료감응 태양전지의 광전변환효율을 높인 것이다.

“기존에는 유기염료를 사용하는 가운데 여러 한계가 있었습니다. 국내에서는 2009년 당시 9% 대에서 개발된 후 효율이 정체됐고 2010년 중국의 펭왕(Peng Wang) 그룹의 10 % 효율이 최고 수준이었습니다. 저희 연구팀은 2010년 8.3% 유기염료 개발을 시작으로 2011년 9.1%, 2012년 10.1%를 달성했어요. 결국 4년간의 연구 끝에 11.2%라는 최고 효율의 유기염료를 개발할 수 있었죠.”

기존의 타 그룹에서는 태양전지의 전류생성량을 높여 효율을 증가시키기 위해 공액기를 다수 연결해 염료를 제조하는 방식을 택했다. 하지만 강진규 박사팀은 소자 내 전류와 전압의 손실을 막기 위한 기능성기를 첨가했다. 이는 아주 간단한 공액구조지만 이번 연구의 핵심기술이라고도 할 수 있다.

이번 연구와 관련, 강진규 DGIST 박사는 “성과를 바탕으로 DGIST가 염료감응 태양전지 연구 분야를 선도할 수 있는 계기를 마련한 셈”이라며 “세계 최고 수준의 효율을 자랑하는 태양전지 개발을 위해 지속적인 연구를 이어갈 것”이라고 언급하기도 했다.

초저가 염료감응 태양전지의 실용화

강진규 박사팀이 이번 연구를 진행한 것은 낮은 금액의 염료감응 태양전지를 실용화하기 위한 계획과 목표를 가지면서 시작한 것이다. 이를 위해 강 박사팀은 광대역 흡수와 고효율, 고내구성 유기염료를 개발하는 데 착수했다.

총 4년이 소요된 연구. 산업통상자원부 소재원천기술개발 사업에 선정된 후 4년 동안 연구에 매진하면서 연구팀은 크고 작은 어려움에 부딪히곤 했다. 상용화를 목표로 하는 만큼 가격과 편리성, 더불어 성능의 삼박자를 모두 갖춰야 하는데 이 모든 것을 충족시키는 게 만만치 않았던 것이다. 강진규 박사는 “상용화를 위한 염료로써 간단한 합성단계와 고효율, 그리고 고내구성 등 세 가지에 모두 적합한 염료를 제조하는 데 있어 어려움을 겪었다”며 당시를 회고했다.

“이번 연구를 통해 개발된 염료감응 태양전지 효율은 세계 최고 수준입니다. 차세대 태양전지를 연구하고 개발하는 데 큰 도움을 줄 거라고 믿어요. 뿐만 아니라 상용화에도 큰 역할을 할 것이라고 생각합니다. 고성능 유기 염료감응 태양전지에 대한 연구 성과는 넓은 스펙트럼과 고효율, 낮은 비용의 순수한 유기 염료 감응 태양전지를 개발하고 응용, 상용화 하는 데 추진할 수 있을 것입니다.”

강진규 박사는 이번 성과를 바탕으로 DGIST가 염료감응 태양전지 연구분야를 선도 할 수 있는 좋은 계기를 만든 것 같다고 이야기 했다. 그는 “상용화를 위해 부족한 효율성과 내구성을 높여 시장진입을 추진할 수 있도록 지속적인 연구를 이어갈 것”이라고 앞으로의 포부를 밝혔다.

한편, 강 박사 연구팀은 지난 4년간 산업통상자원부의 소재원천기술개발사업 가운데 ‘염료감응 태양전지 유기염료의 광흡수영역 확장 기술’을 수탁과제로 진행해 광대역, 광흡수, 고효율 유기염료의 설계 및 합성과 유기염료의 특성에 맞는 소자 공정 기술을 개발했다. 새로운 유기염료 구조 및 합성 방법과 관련해 국내외 특허를 출원했으며 국제학술지에도 다수의 논문을 게재하기도 했다.