KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 3

기획특집 태양전지－

고효율 염료감응 태양전지 기술

고 민 재⋅박 남 규†

한국과학기술연구원 태양 지연구센터

High Efficiency Dye-Sensitized Solar Cells

Min Jae Ko and Nam-Gyu Park†

Solar Cell Research Center, Korea Institute of Science and Technology, Seoul 136-791, Korea

Abstract: 염료감응 태양 지는 11%의 높은 에 지변환 효율과 낮은 제조가격 때문에 차세 신재생 에 지로서 많은

주목을 받고 있으며, 곧 상업화 될 것으로 측되고 있다. 하지만, 염료감응 태양 지의 가격 경쟁력을 갖추기 해서

는 신 구조와 소재 개발을 통한 지속 인 에 지 변환 효율의 증가가 필요하다. 본 논문에서는 에 지 변환 효율을 증

가시키기 한 다양한 연구방법을 소개한다. 변환 효율을 증가시키기 해서 나노구조 극의 도띠를 이동시키거나

산란층 도입, 다기능성 나노입자의 합성, 해질의 양이온 종의 첨가 높은 흡 계수와 장 장을 흡수할 수 있는

염료를 도입하는 방법을 이용할 수 있다.

Keywords: dye-sensitized, solar cells, efficiency, photovoltaic, nanotechnology

1. 서 론1)

태양 지는 재 에 지변환 효율과 가격이

라는 두 가지 측면에서 기술 개발이 이루어지

고 있다. 항공 우주와 같은 특수 목 에 사용

되는 태양 지는 가격 측면보다 에 지 변환

효율을 높이기 한 방향으로 기술 개발이 추

진되고 있으며, 범용 으로 화석연료를 체하

는 체에 지 개념의 태양 지는 제조단가를

낮추는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다.

Figure 1은 에 지 변환 효율에 한 기술 발

도표이다. 그림에서 보는 바와 같이 고효율

의 태양 지는 주로 갈륨비소계와 단결정 실

리콘계 물질을 사용하고 있으며, 가시 선 뿐

아니라 외선 역의 빛을 흡수하기 한 서

로 다른 반도체 물질간 층구조(tandem) 셀

을 개발하고 있다. 하지만 고효율 태양 지는

매우 고가이기 때문에 범용 인 용도로는 사

†주 자(E-mail: npark@kist.re.kr)

용이 거의 불가능하며, 부분 특수목 에 이

용되고 있다.

보다 범용 인 목 에 부합하기 해서는

가의 태양 지 개발이 필요하다. 실리콘 물

질을 이용할 경우 고가의 단결정 신 가의

다결정 비정질 실리콘 태양 지 개발에

심을 가지고 연구 개발이 진행되고 있다. 하지

만 다결정이나 비정질 경우 에 지 변환 효율

이 단결정에 비해 매우 낮은 것이 흠이다. 따

라서 이러한 문제를 해결하기 하여, 즉 높은

효율과 함께 가격을 낮추기 하여 단결정을

박막화 하여 이를 태양 지 제조에 이용하는

연구가 진행되고 있다[1]. 가격 면에서 재

시 되는 단결정 실리콘 태양 지는 제조단가

가 약 4∼5 $/Wp 이상으로 비싼 편이다. 비

정질 실리콘의 제조단가 한 공공 기 요

수 인 1 $/Wp 수 으로 맞추어야 하는 상

황을 만족시키지는 못하고 있다. 따라서 제조

단가를 폭 감하기 해서는 값싼 원재료를

4 공업화학 전망, 제11권 제6호, 2008

Figure 1. 태양 지 단 셀의 에 지 변환효율 기술 발 도.

Figure 2. 태양 지 시장 망과 포스트 실리콘 기

반의 태양 지 시장 유율.

사용하는 유기계 태양 지 는 염료감응 태

양 지의 개발에 이 맞추어지고 있다.

Figure 2에서 보는 바와 같이 염료감응 폴

리머 태양 지와 같은 포스트 실리콘 태양

지 시장은 매년 40% 이상 증가하여 2015년에

는 체 태양 지 시장의 28% 이상 차지할

것으로 상된다. 본 논문에서는 염료감응 태

양 지의 고효율화를 달성하기 한 소재별

기술개발 동향을 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1. 염료감응 태양 지 구조와 원리

1991년 스 스 EPFL의 Grätzel 교수 연구

그룹에서 보고한 염료감응 나노입자 산화물

기화학 태양 지[2]는 에 지 변환 효율

이 재 11%로서 비정질 실리콘 태양 지에

버 가는 높은 에 지 변환 효율과 함께 매우

렴한 제조단가로 인하여 연구계 산업계

의 비상한 심을 모으고 있다. Figure 3은 염

료감응 태양 지의 구조와 작동 원리를 보여

주고 있다. 표면에 염료 분자가 화학 으로흡

착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 극에 태

양 빛(가시 선)이 흡수되면 염료분자는 자

-홀 을 생성하며, 자는 반도체 산화물의

도띠로 주입된다. 반도체 산화물 극으로

주입된 자는 나노입자간 계면을 통하여 투

KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 5

Figure 3. 염료감응 태양 지 자의 달과정

과 구성 요소간 에 지 .

명 도성막으로 달되어 류를 발생 시키

게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원

해질에 의해 자를 받아 다시 환원되어 염

료감응 태양 지 작동 과정이 완성된다[3].

염료감응 태양 지가 작동하는 과정을 요약

하면 다음과 같다.

(염료)+빛→ (염료)* (여기상태) (1)

(염료)*+TiO2→ e-(TiO2) + (염료)+ (2)

(염료)+ +

I-→ 염료+

I3- (3)

I3- + e-(상 극)→

I- (4)

여기서 (1)∼(3)은 염료가 흡착된 TiO2

극에서 일어나는 과정이며, (4)는 Pt 상

극에서 발생하는 과정이다. (1)∼(4)의 과

정을 화학반응식으로 나타내면 식 (5)와 같다.

I3

- + e-(TiO2)→

I- (5)

빛 에 지를 흡수한 루테늄계 염료는 바닥

상태(ground state)에서 들뜬상태(excited state)

로 이(d → π* transition)한 후 두 가지 과

정을 거쳐 자주입이 이루어진다: 열화 되지

않은 단일항 들뜬상태(nonthermalized singlet

excited state S*)로부터 반도체 도띠로

자주입 되는 과정과 내부 진동-이완 과정을

거쳐 삼 항 들뜬상태(triplet excited state

T*)로 이동된 열화 자(thermalized electron)

가 주입되는 과정[4]. 이때 자주입(τinj)은

펨토 내지 피코 의 매우 빠른 속도로 주입

되며, 산화된 염료는 수 나노 내에 재생된다

[5]. 반면 자가 표면상태(surface state)를

거쳐 해질로 손실되는 재결합(recombination

는 back reaction) 속도(τr)는 마이크로-

리 로 다소 느리기 때문에 부분의 자는

반도체 도띠로 주입되어 자 달에 참여하

여 - 기 에 지 변환효율이 우수하며, 아울

러 장기 안정성 한 우수함이 실험 으로 증

명되었다[6].

2.2. 염료감응 태양 지의 고효율 도달 략

염료감응 태양 지의 산업화 실용화를

해서는 에 지 변환 효율을 더욱 증가시켜

야 하는 과제가 남아 있다. 일반 으로 태양

지의 효율은 다음과 같이 측정된다. 빛(태양)

에 지가 기에 지로 변환되는 효율은 표

global AM 1.5 조건(1000 W/m2)에서 입사된

자가 자로 변환되는 효율을 백분율로 표

시한 것이다. Xe 램 를 이용하여 global AM

1.5 표 조건에 가까운 조건하에서 태양 지

에 forward bias 압을 인가하면 Figure 4와

같은 류- 압 곡선을 얻게 된다.

에 지변환효율(η)은 입사된 빛에 지에

(Pin) 한 발생된 기에 지(Pout) 비의 값

으로, 다음 식 (6)과 같이 표 된다. 여기서

Voc는 개방 압(open-circuit voltage)으로서

6 공업화학 전망, 제11권 제6호, 2008

Figure 4. 태양 지 류- 압 특성 곡선.

단락상태에서 태양 지 양단에 형성되는

차이며, Isc는 단락 류(short-ciucuit current)

로서 회로가 단락된 상태에서 나타내는 류

도이다. FF는 충진계수(fill factor)로서 Figure

3에서 보는 바와 같이 류- 압 곡선이 사각

형에 가까이 갈수록 충진계수 특성이 향상된다.

×

×

×

(6)

따라서 에 지 변환 효율을 증가시키기

해서는 류⋅ 압 충진계수의 값을 향상

시켜야 한다. 에 지 변환 효율을 증 시키기

한 방법을 염료감응 태양 지의 각 구성 소

재별로 논의해 보겠다.

2.3. 나노결정 반도체 산화물 소재

염료를 흡착할 수 있는 극 소재는 띠간격

에 지가 큰 반도체 나노결정(직경 약 20 nm)

산화물을 주로 사용하며 나노 입자 산화물의

자구조 표면 특성 변화는 류와 압

에 모두 향을 미칠 수 있다. 나노 크기의 물

질을 사용하는 이유는 입자 크기 감소에 의한

비표면 증가로 보다 많은 양의 감응 염료

분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 입자의 크

기가 수 나노미터 이하로 지나치게 작게 되면

염료 흡착량은 증가하지만, 반면 표면상태 수

가 증가하여 재결합 자리를 제공하게 되는 단

도 가지고 있다. 따라서 입자크기(size), 형

상(morphology), 결정성(crystallinity) 그리고

표면상태(surface state)에 따라 류와

압에 모두 향을 미칠 수 있다.

일반 으로 염료감응 태양 지의 출력 압

은 반도체 산화물 입자로 주입된 자의 페르

미 와 해질의 산화/환원 와의 차이

에 의해서 결정된다. 따라서 높은 출력 압을

얻기 해서는 높은 에 지의 도 (Condu-

ction Band)를 갖는 반도체 산화물을 사용하

는 것이 바람직하다. 하지만, 염료에서의 자

주입이 용이하게 이루어져야 하기 때문에 반

도체의 도띠 에 지는 염료의 LUMO보다

낮아야 한다. 재 가장 많이 사용되는 산화물

은 TiO2로서 루테늄계 염료(상업 인 이름으

로 N3, N719가 가장 많이 사용 됨)의 LUMO

에 지보다 약 0.2 eV 낮은 곳에 TiO2 도띠

에 지가 치하고 있다.

지 까지 연구되어온 산화물은 주로 TiO2,

SnO2, ZnO, Nb2O5 등이다. 이들 물질 가운데

지 까지 가장 좋은 효율을 보이는 물질은

TiO2로 알려져 있다. TiO2는 세 가지 상

(phase)이 알려져 있는데, 온에서 안정한 아

나타제(anatase) 상, 고온에서 안정한 루타일

(rutile) 상 그리고 루카이트(brookite) 상이

존재한다. 수십 나노 크기를 갖는 아나타제

TiO2는 수열합성법으로 제조 가능하며, 온에

서도 안정한 루타일 TiO2는 상온 근처에서 가

수분해법에 의해 제조할 수 있다. Figure 5는

형 인 나노결정 아나타제 TiO2 필름과 루

타일 TiO2 필름의 주사 미경(SEM)사진을 보

여주고 있다[7]. 표면 단면 사진을 보면 아

나타제 TiO2 필름은 20 nm 직경을 갖는 구형

의 입자가 매우 조 하게 채워져 있는 반면 루

타일 TiO2 필름은 직경 20 nm, 길이 약 80 nm의

나노 막 형 모양의 입자가 다소 엉성하게 채

워져 있다. 두 필름의 류- 압 특성을 보

KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 7

Figure 5. 아나타제(anatase) 루타일(ruile) TiO2

필름의 표면 단면 SEM 사진.

Figure 6. TiO2 나노선과 구형의 TiO2 (P-25) 필

름에 한 류 비교.

면 아나타제 TiO2 필름이 루타일 필름보다

류가 더 많이 생성되는데 이는 구형의 아나

타제 필름이 루타일에 비해 비표면 이 더 크

기 때문에 염료분자가 단 부피당 더 많이 흡

착된 결과이다.

앞서 언 한 것과 같이, 입자가 나노크기로

어들수록 비표면 이 증가하는 장 이 있지

만, 반면 불완 한 입자의 표면상태 한 증가

하게 된다. 불완 한 입자의 표면상태(surface

state)의 증가는 주입 자(photo-injected

electrons)의 하분리(charge separation)를

방해하여 재결합 자리를 제공하여 다. 자

확산속도가 입자의 크기(직경 14 nm, 19 nm,

32 nm인 TiO2 시료에 하여)에 따라 어떤

향을 받는지에 한 연구결과, 입자크기가

증가할수록 확산계수는 증가하고 재결합속도

는 감소한다는 것이 보고되었다[8]. 입자크기

가 증가할수록 자 달에는 좋은 반면 입자

표면의 염료의 흡착량은 감소시키기 때문에

자 달과 염료 흡착량의 상 계를 고려하

여 한 크기의 나노입자 산화물을 제조하

는 것이 필요하다.

구형의 나노입자로 이루어진 염료감응 태양

지는 약 15 µm 후에서 더 이상 에 지변

환 효율이 향상되지 못하는데, 이는 구형의 나

노입자간 necking의 길이가 자 달에 한계

를 가지고 있음을 시사하고 있다. 이러한 문제

를 해결하고자 자 달에 더 유리할 것으로

상되는 나노선 는 나노막 모양에 한

연구가 수행되었다. 직경이 9.5 nm인 나노선

을 도성 기 에 수직으로 배향하여 변환

특성을 평가한 결과 5 µm 필름의 두께에서 구

형에 필름에 비하여 류가 2배정도 많이 생

성되는 것이 확인되었다(Figure 6)[9].

TiO2 다음으로 많이 연구되고 있는 물질이

SnO2, ZnO 등이다. SnO2를 사용할 경우 압

이 낮게 되는데, 이러한 문제는 표면을 ZnO와

같은 박막으로 처리하면 해결될 수 있다. ZnO

의 경우 아나타제 TiO2와 매우 유사한 도띠

에 지, 밴드갭 에 지를 가지고 있다. 하지만,

이런 유사한 특성에도 불구하고 염료감응형

극소재로 사용할 경우 에 지변환 효율은

매우 낮다. 염료는 카르복실산을 기능기로 가

지고 있고 산화물의 OH기와 결합할 때 H+

이온이 방출되게 된다. ZnO는 산성에 쉽게 용

해되는 성질을 가지고 있기 때문에 염료를 흡

착하는 동안에 Zn2+-dye aggregate가 형성되

어 변환 기능을 상실하기 때문에 변환효

8 공업화학 전망, 제11권 제6호, 2008

Figure 7. 산란입자의 SEM 이미지와 장에 따른 IPCE.

율이 매우 낮다. 이러한 경우도 ZnO 표면을

히 처리하여 core-shell 구조로 변형하면

변환 특성이 향상되는 것이 최근 보고되

었다[10].

태양 지에 입사된 을 효율 으로 이용하

기 하여 수백 나노미터 크기의 나노입자로

형성된 산란층을 도입하면 경로가 증가되

어 류를 향상시킬 수 있다. KIST 연구그

룹에서는 결정성이나 모양, 기공 구조, 소결

조건 등의 다른 조건은 모두 동일하면서 입자

의 크기만 크게 다른 두 산란 입자를 이용하

여 산란 입자의 크기와 주 산란 장 역과의

계를 규명하 다[11]. Figure 7에 산란입자

인 G1 (∼0.3 µm), G2 (∼0.5 µm)의 SEM 이

미지와, 장에 따른 IPCE 반사율을 나타

내었다. 입자가 상 으로 작은 산란입자 층

은 상 으로 단 장에서 산란 효과가 좋으

며, 큰 크기의 입자는 장 장에서 산란효과가

우수하 다.

염료감응 태양 지의 극으로서 사용되

는 TiO2 입자는 약 20 nm 직경을 가지기 때

문에 장 장의 빛은 투과하기 쉽다. 따라서 장

장의 빛을 효과 으로 사용하지 못하기 때

문에 변환효율에서 이득을 보기 어렵다. 이러

한 단 을 보완하기 하여 장 장 빛을 산란

할 수 있는 방법으로 서 마이크로 크기의

입자를 사용하여 왔다. 빛 산란 입자의 경우

보통 크기는 0.1∼0.5 마이크로미터로서 장

장 산란은 잘 하지만, 반면 어든 표면 으로

인하여 산란층에는 염료 흡착이 어렵다. 최근

장 장 빛은 산란하면서 단 장 빛은 류로

변환하는 기능성 속빈구가 개발되었다[12].

Figure 8에서 보는 바와 같이 속빈구를 산란

층으로 이용할 경우 일반 인 서 마이크로

크기의 산란입자에 비해 높은 류가 생성

되는 것이 확인되었다.

2.4. 감응 염료

염료감응 태양 지용 염료가 갖추어야 할

조건은 첫째 가시 선 역의 빛을 흡수할

KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 9

Figure 8. 속빈구를 산란층으로 갖는 TiO2 구조(1L-NeHS; 붉은색)와 서 마이크로 산란입자(1L-CCIC;

란색)를 산란층으로 갖는 구조, 그리고 나노입자로만 구성된 구조(2L)의 류, 압, 효율, IPCE 반

사율 특성 비교.

수 있고, 둘째 흡 계수가 높아야 하며, 셋째

나노산화물 표면과 견고한 화학결합을 이루고

있어야 하며, 넷째 열 화학 안정성을 지

니고 있어야 한다. 염료의 LUMO는 특히

하분리 나노산화물 소재의 conduction band

에 지 보다 높게 설계해야 한다. 염료감응 태

양 지에 사용되는 염료는 유기 속화합물, 유

기화합물 그리고 InP, CdSe 등의 양자 무기

화합물이 알려져 있다. 지 까지 알려진 염료

에는 루테늄계 유기 속화합물이 가장 우수

한 것으로 보고되고 있다. 루테늄계 염료는

심 속 루테늄 주 에 피리딘계 리간드와 SCN

리간드가 배 되어 있다. 피리딘 고리가 2개, 3

개, 4개로 증가하면 MLCT ( 속에서 리간드

로 하이동)에 해당하는 피크가 장 장으로

이동하고 흡 계수는 감소한다. 루테늄계 염료

에서 표 인 것으로 붉은색을 띄는 N3

(N3 염료는 수소가 4개 있으며, 이 2개가

terabutyl ammonium 이온으로 치환된 것을

N719로 명명함)와 록색의 N749 염료, 그리고

N886의 검은색 염료가 개발되었다(Figure 9).

2006년 Chiba 등은 N749 염료, 공흡착제인

Deoxycolic acid, 해질의 pH를 상승시켜

산화물반도체의 conduction band edge를 상

승시키는 tert-butylpyridine Haze가 증가된

TiO2 극을 이용하여 변환 효율 11.1%

을 보고하 다[13]. 800 nm 이상의 장 장

역을 흡수할 수 있도록 낮은 밴드 갭 에 지

를 갖는 염료를 디자인함으로써 변환 효

율을 증가 시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.

한 루테늄계 염료분자의 bipyridyl 리간드

에 긴사슬의 hydrocarbon과 이결합 특성을

부여하여 친유성(hydrophobic) 특성과 열안정

성을 동시에 가질 수 있는 염료가 개발되었다

[14]. 이들 염료는 고온의 조건에서 작동하는

태양 지 뿐만 아니라 고분자 해질 등에

10 공업화학 전망, 제11권 제6호, 2008

Figure 9. 리간드에 따른 루테늄 염료의 가시 흡수 장의 변화.

Figure 10. 속 리 유기염료(TA-st-CA)와 루테늄 유기 속 염료(N719)의 가시 선 흡 스펙트럼과

류- 압 특성.

용 가능하기 때문에 장기안정성의 고체형 소

자에 합할 것으로 기 된다.

속이 존재하지 않는 순수 유기물 염료에

한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 일

본 동북 의 Uchida 박사 그룹에서 인돌린계

유기물을 이용하여 높은 에 지 변환효율의 염

료를 개발하 다. 인돌린계 유기 염료는 N-719

보다 몰 흡 계수가 약 5배 정도 높았으나, 태

양 지 제작시 표 조건에서 6.51%로 N719 염

료(8.26%)에 비해 다소 낮은 편이었다.

TiO2 필름과 해질을 최 화하여 약 8% 변

환 효율을 기록하 다[15]. 최근 유기염료 에

는 트리페닐 아민계 염료인 TA-st-CA가 9%

의 변환효율을 보 다(Figure 10 참조)[16].

KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 11

Figure 11. superamolecular 기법에 의해 N-719 염료의 카르복실산 기를 DAP로 치환할 경우 back

reaction 속도가 0.85 리 에서 0.71 로 감소함.

Figure 12. 860 nm에서 염료의 transient absorbance 비교[18].

이 외에도 흥미로운 염료로서 고분자로 된

염료와 양자 염료 등이 연구되고 있으나, 효

율의 값이 아직은 낮은 편이다.

빛을 받아 산화된 염료와 자 간의 재결

합 속도를 감소시키기 하여 superamolecular

기법에 의해 염료 분자에 자를 받을 수 있는

특성의 분자를 도입한 기술이 연구되었다.

DAP라는 물질을 N-719 염료에 도입하여 재결

합 속도를 측정한 결과 약 1000배정도 재결합

속도가 감소됨을 알 수 있었다(Figure 11 참

조)[17].

들뜬 상태의 염료분자에서 TiO2로 주입되는

자의 injection 속도는 피코 는 펨토 로

매우 빠른 것으로 알려져 있다. 하지만 주입되

는 과정은 어떻게 진행되는 것일까? 이런 질문

에 답하기 하여 매우 짧은 시간에 535 nm

이 를 주사한 후 860 nm에서 순간 인 흡

수 스펙트럼을 측정한 결과 N719 염료는 주입

속도에 여하는 로세스가 단일상만 존재하

는 반면 N3 염료는 시료의 합성에 따라 매우

빠르게 주입되는 과정과 상 으로 다소 느리

게 진행되는 두가지 상이 존재하 다. N3 염료

의 경우 농도를 희석할 경우 한가지상만 존재

했는데, 이로부터 수소갯수가 상 으로 많은

N3 염료에서 다소 느린 자주입 과정이 존재

하는 이유는 N3 염료 간 수소결합 때문인 것

으로 해석되었다(Figure 12 참조).

2.5. 산화-환원 해질 홀 도체

염료감응 태양 지용 해질은 I-/I3

-와 같이

산화-환원 종으로 구성되어 있으며, I- 이온의

source로는 LiI, NaI, 알칼암모니움 요오드

는 이미다졸리움 요오드 등이 사용되며, I3- 이

온은 I2를 용매에 녹여 생성시킨다. 해질의

12 공업화학 전망, 제11권 제6호, 2008

Figure 13. KIST 제작의 투명 컬러 특성을 보여

주는 염료감응 태양 지 유리창호 시제품.

매질은 acetonitrile과 같은 액체 는 PVdF와

같은 고분자가 사용될 수 있다. I-는 염료분자

에 자를 제공하는 역할을 하고 산화된 I3-는

극에 도달한 자를 받아 다시 I-로 환원

된다. 액체형의 경우 산화-환원 이온 종이 매

질 내에서 신속하게 움직여 염료의 재생을 원

활하게 도와주기 때문에 높은 에 지변환 효

율이 가능하지만, 극간의 합이 완벽하지

못할 경우 액의 문제를 가지고 있다. 반면

고분자를 매질로 채택할 경우에는 액의 염

려는 없지만 산화-환원 종의 움직임이 둔화되

어 에 지변환 효율에 나쁜 향을 수 있다.

따라서 고분자 해질을 사용할 경우에는 산화

-환원 이온 종이 매질 내에서 신속하게 달될

수 있도록 설계하는 것이 필요하다. 고분자

해질용 소재로는 PAN (polyacryloni- trile)계,

PVdF (polyvinylidene fluoride-co-hexafluoro-

propylene)계, 아크릴-이온성액체 조합, pyr-

idine계, PEO (polyethylene oxide) 등이 연구

되었다.

나노입자 산화물을 고분자와 혼합한 나노

콤포지트형 해질이 M. Gratzel 그룹에서 개

발되었는데, 15 nm 크기를 갖는 fumed 실리

카 입자를 이미다졸계 이온성액체와 혼합한

유무기 복합 겔형 해질을 사용한 염료감응 태

양 지는 AM 1.5 (100 mW/cm2) 조건에서

7%의 높은 변환 효율을 보여주고 있다[19]. 나

노콤포지트형 고분자 해질로서 1 태양조건

에서 4.5% 변화효율을 갖는 완 고체형의 고

효율 해질이 개발되었다[20].

염료감응 태양 지를 고체화 하는 한가의

기술은 홀 도체를 이용하는 방법이다. 홀

도체를 사용할 경우에는 해질을 사용하지 않

기 때문에 고체화가 더욱 용이하게 된다. 홀

도체로는 CuI, CuSCN과 같은 무기소재,

polypyrrole과 같은 유기 소재가 가능하다. 홀

도체를 염료감응 태양 지에 용할 경우 높

은 홀 도도가 구 될 수 있도록 홀 도층

필름 구조를 설계 제작해야 한다. 홀 도

성 물질이 염료분자가 흡착된 TiO2 필름의 나

노 동공에 채워 넣는 방법은 습식 는 기화

학 법으로 가능하다. 그러나 나노 동공속에 우

수한 홀 도 특성을 갖는 무기소재 필름을 형

성하기는 쉽지 않다. 1998년 M. Gratzel 그룹

에서 이러한 문제를 해결하기 하여 비정질의

spiro 유도체인 OMeTAD 홀 도체를 이용한

고체 염료감응 태양 지가 개발되었다[21].

TiO2/dye/OMeTAD 형 고체 염료감응 태양

지는 IPCE 측정결과 520 nm 가시 장에서

33%의 변환 양자효율을 보 다. 무기 홀

도체 CuI를 나노 동공에 채워 넣기 한 효

과 인 방법 의 하나로 이온성 액체를 이용

하는 방법이 보고되었다[22]. CuI를 순수한 유

기용매에 녹인 용액을 사용할 경우는 매우 낮

은 변환 특성을 보이는 반면, 이온성 액체

를 CuI 용액에 첨가한 용액을 사용하여 홀

도성 필름을 만들 경우, 류 압이 격

히 향상됨을 알 수 있다. SEM 분석 결과 이온

성 액체는 CuI의 결정성장을 억제하여 나노 동

공에 효과 으로 채워지도록 도와주는 역할을

하는 것으로 밝 졌다.

3. 결 론

염료감응 태양 지는 셀 변환 효율이 10∼

11%로서 사업화가 가능한 기술이며, 가시 선

KIC News, Volume 11, No. 6, 2008 13

일부를 투과할 수 있는 나노크기의 산화물과

서로 다른 색을 나타낼 수 있는 염료를 사용하

기 투명컬러 특성을 구 할 수 있다(Figure

13). 최근 염료감응 태양 지 원천특허 시효가

2008년 4월로서 세계 으로 상용화에 한

략을 모색하고 있다. 상용화를 해서는

면 의 모듈기술에 한 연구와 더불어 고효

율화가 더 진행되어야 한다. 한 셀을 구성하

는 물질의 장기안정성은 단 셀에서 검정된

바 있지만, 모듈 련한 내구성 연구가 좀 더

진행되어야 할 것으로 생각한다. 특히 실제 환

경에 응하기 해서는 온도뿐만 아니라, 비

와 습도와 같은 환경 테스트도 진행되어야 한

다. 단 지에 한 장기안정성은 표 조건

(60 ℃ illumination, 80 ℃ in the dark)에서

내구성 테스를 한 결과 북유럽 조건에서는 약

32년 남유럽 는 호주 시드니와 같은 지역의

조건에서는 18년 정도의 장기 안정성이 있는

것으로 확인된 바 있다. 따라서 모듈에서도 장

기안정성이 상되고 있다. 염료감응 태양 지

는 투명 컬러 특성을 가지고 있기 때문에 유

리창호, 선루 등에 사용될 수 있는 기술이

다. 한 염료감응 태양 지의 시장 유율을

확 하기 해서는 보다 높은 효율에 한 도

이 필요하며, 이를 해서는 구성하고 있는

물질, 계면 그리고 자의 달과 재결합 등에

한 보다 깊은 이해와 함께 새로운 물질의

개발, 새로운 구조의 개발 등에 한 연구를

집 할 필요가 있다.

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% 자 소 개

고 민 재

1995 서울 학교 섬유고분자공학과 학사

1997 서울 학교 섬유고분자공학과석사

2001 서울 학교 재료공학부 박사2004 M.I.T. 화학공학과 박사후 과정2008 삼성 자 LCD총 책임연구원2008∼ 재 KIST 태양 지연구센터

선임연구원

박 남 규

1988 서울 학교 화학교육과 이학사1992 서울 학교 화학과 이학석사1995 서울 학교 화학과 이학박사1997 랑스 ICMCB-CNRS 박사후

과정1999 미국 NREL 태양 지연구센터

연구원2005 한국 자통신연구원

책임연구원2005∼ 재 KIST 태양 지연구센터 센터장/

책임연구원