독일 프라운호퍼 태양열 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, ISE) 연구진이 개발한 새로운 염료 감응 태양 전지(DSSC; dye-sensitized solar cell)가 건물 디자인과 잘 어울리도록 다양한 색과 형태로 인쇄될 전망이다. 또 새로운 형태의 태양 전지(solar cell)는 그 자체를 창문으로 이용하여 일광으로부터 그늘을 제공하는 동시에 전기도 생산할 예정이다.
현재 상용화되고 있는 실리콘 태양 전지(silicon-based solar cell)의 후속 연구 분야로 지목되고 있는 DSSC는 다양한 방법으로 태양 전지의 효율성을 증진시킴으로써 차세대 태양 전지로 부각되고 있다.(GTB2007070736) DSSC는 넓은 밴드 갭을 가진 반도체 산화물 박막에 염료를 입힌 것이다. 이런 종류의 태양 전지가 각광을 받는 이유는 값싼 원료를 사용하고 간단한 장비를 이용해서 생산할 수 있기 때문이다.(GTB2007030083)
프라운호퍼 연구진이 개발한 장치의 핵심적인 요인 역시 햇빛을 전기로 전환시키는 나노 입자(nanoparticle)와 결합된 유기 염료(organic dye)에 있다. 나노 입자의 작은 크기 덕분에 이 장치는 반투명이다. 이러한 특성으로 새로운 태양 전지는 건물 외관과도 잘 어울린다. 이 DSSC는 동경에서 개최되는 나노기술 박람회(Nanotech 2008)에서 발표될 예정이다.
2007년 4월 Wayne Campbell 박사 연구진은 DSSC에 사용될 수 있는 다양한 색상 염료를 개발하였다. 연구진은 합성 클로로필((synthetic chlorophyll)과 헤모글로빈(hemoglobin) 등의 염료를 유기 화합물로부터 제조하는 데 성공했다.(GTB2007040105) 같은 해 7월 오하이오주립대학교(Ohio State University) 연구진은 빨간색 염료와 흰색 금속 산화물 분말을 혼합하여 얻어진 분홍색 혼합물을 이용하여 제조한 새로운 DSSC 개발하여 태양 전지 효율성을 향상시켰다.(GTB2007070736)
새로운 DSSC 시제품은 황색이다. 그러나 다른 색상의 장치 제작도 가능하고, 장식적인 요소로 작용할 수 있도록 장치 위에 이미지 또는 문자를 인쇄할 수도 있다. 이러한 디자인 옵션들은 광범위한 응용의 새 장을 열었다. 건물의 지붕 위에 태양열 장치를 설치하는 대신 전기 생산 장치로 창문과 태양 전지를 통합시킬 수 있게 됐다.
새로운 DSSC 장치의 시제품은 4%의 효율성으로 결정질 실리콘 태양 전지의 수행력과 비교에 있어서 지붕 위 설치하는 기존 장치만큼 충분하지는 않다. 반면 DSSC는 건물 외관과 합쳐졌을 때 깨끗한 장점이 있다.
두 개의 유리 칸막이 사이에 위치한 얇은 전기를 생산하는 박막이 나노 입자들로부터 생성되어 인쇄 기술을 적용할 수 있게 한다. 이 기술은 장치 상에 원하는 이미지를 융화시킬 수 있게 해준다. 이 재료로 만들어진 유리 외관은 장식적인 요소를 지니고 있으며, 색상이 화려한 회사 로고 등과 같은 효율적인 디자인을 가능하게 한다. 또 전기를 필요한 곳에 전달할 수 있다.
새로운 DSSC 기술이 직면한 도전 과제는 두 개의 유리 칸막이 사이의 좁은 간격에 공기가 들어와 내부 반응성 물질을 파괴하지 않도록 밀봉시키는 데 있다. 프라운호퍼 전문가들은 이 문제를 해결할 수 있는 방안을 찾았다. 중합체 아교를 사용하는 대신에 연구진은 유리를 녹이기전의 원료인 프릿(frit)을 사용하기로 했다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 유리 분말을 칸막이 위에 인쇄하여 약 600 ℃의 온도로 녹여 결합시킨다.
다양한 기후 조건 하에서 수행된 피로 시험(fatigue test)은 이 DSSC가 몇 천 시간 후에도 잘 작동한다는 것을 보여주었다. 그러나 아직까지 장기적인 안정성(stability)은 공식적으로 확인되지 않았다.
새로운 DSSC는 태양 전지의 미래 연구 동향을 잘 반영하고 있다. 태양 전지는 기존 실리콘 기반의 기술에서 비용이 저렴한 DSSC로 옮겨가고 있다. 과학자들은 다양한 유기 염료를 통하여 태양 전지의 효율성을 향상시키는 데 주력하고 있다. 그러나 이 연구가 기존의 연구와 차별화되는 점은 외형적인 미적 감각 역시 높이려는 데 있다. 새로운 제품은 그 자체로도 창문으로 이용될 수 있을 만큼 건물과 잘 어우러질 수 있는 장점이 있다. 기존에 건물 지붕에 태양열 집열판을 장착하는 대신에 건물 외벽에 마치 유리창처럼 부착하여 일광도 막고 전기도 생산하는 일석이조의 혜택을 도모하고 있다. 뿐만 아니라 다양한 로고와 색상, 디자인 등을 제품에 인쇄하여 기업의 홍보 또는 장식적인 목적까지 누릴 수 있으므로 머지않아 이 기술이 업계의 주목을 받을 것으로 예상된다.(기사작성자 의견)
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