CNT태양전지 세계 최초 개발 성공

전기연구원 이동윤 박사팀 “상용화 기술 박차”

세계 최초로 백금 대신 탄소나노튜브(CNT)를 이용한 고부가가치 차세대 태양전지기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 화제다.

한국전기연구원(원장 박동욱) 광전기연구그룹 이동윤 박사팀은 최근 모듈 최대 효율 6%, 서브모듈 크기 10cm x 10cm의 CNT 상대 전극을 이용한 염료감응형 태양전지(DSSC) 대(大)면적 모듈을 순수 국내기술로 개발하는데 성공했다고 16일 밝혔다.

이로써 차세대 태양전지 분야에서 상용화를 서두르고 있는 일본을 비롯한 해외 기업들에 비해 열세였던 국내 기술 현실을 타개하는 동시에 세계 태양전지 시장에서 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

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

특히 여기에 사용된 탄소나노튜브는 국내 기업인 (주)어플라이드카본나노와 공동으로 국산 신기술을 이용해 개발된 것으로써, 관련 특허 및 기술을 국내에서 모두 보유하고 있다.

기술적 부가가치도 크고, 향후 수출에서도 큰 성과가 기대되고 있다는게 이 박사팀측의 설명이다.

이 박사는 “이번에 개발된 태양전지는 단위셀의 효율이 8.5%, 대면적 서브 모듈의 효율은 6%에 달하는, 상용이 가능한 대면적 시제품”이라며 “이는 일반적으로 효율 5% 이상이면 상용화가 가능한 염료감응형 태양전지의 수준을 넘어선 것으로서, 조기 상용화 실현이 가능할 것으로 예상된다”고 말했다.

그는 또 “현재 일본의 기업들을 중심으로 국외에서 백금 등을 이용해 5% 이상의 효율을 지닌 대면적 상용 모듈 제품이 속속 개발되고 있어, 국내에서도 조기에 이 수준을 따라 잡지 못하면 향후 2012년 이후 10조 이상의 시장을 형성할 것으로 예상되는 차세대 태양전지 시장(실리콘 태양전지를 대체할 태양전지 전체 시장 추정치)에서 소외될 가능성이 커지고 있는 상황”이라고 강조했다.

[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 사용 중인 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.