우리얘기

무한한 태양을 전기에너지로 바꾸는 태양전지는 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 그린에너지로,  특히 효율성이 높은 차세대 박막 태양전지 개발이 전세계으로 진행되고 있습니다.

그러나 지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮고 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었습니다.

최근 이를 해결하고자 빛을 잘 흡수하는 반도체 양자점을 이용해 효율 높은 박막 태양전지를 개발하려는 시도가 있지만, 지금까지는 최대 5~6%의 효율에 그치며 상용화에 미치지 못하고 있습니다.

■ 성균관대 박남규 교수팀이 유-무기물이 복합된 반도체 염료로 1/100만 m 이하의 얇은 산화물 전극을 이용해 광전변환 효율을 기존보다 두 배 이상 향상시킨 태양전지를 개발했습니다.

연구팀은 수 나노미터의 매우 작은 유무기하이브리드반도체 염료를 0.6 마이크로미터의 얇은이산화티타늄 필름에 흡착, 표준 태양광조건에서 세계 최고 효율인 9.7% 수준의 박막 태양전지를 개발했습니다.

박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트 염료를 스핀 코팅하여 1분 이내에 흡착할 수 있어, 12시간 이상 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 또 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장됩니다

 또 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되어도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월합니다.

(a) 고체 염료감응 태양전지 디바이스, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진.

페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛 세기에 따른 광전류 상관관계

염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한 그리드패러티 차세대 태양전지를 개발할 수 있을 것으로 연구팀은 예상하고 있습니다.

이번 연구는 성균관대 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 참여했습니다.

(오른쪽에서부터) 박남규 교수, 김희선 석박통합과정생(제1저자), 임정혁 박사과정생(공저자)

마이클 그랏첼(Michael Gratzel) 교수는 세계 최초로 염료감응형 태양전지(DSSC)를 개발한 사람입니다.

연구결과는 '네이처' 자매지인 'Nature Scientific Reports' 8월 21일자에 게재되었습니다.
(논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%) 
 

<연 구 개 요>   Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9% Hui-Seon Kim, Chang-Ryul Lee, Jeong-Hyeok Im, Ki-Beom Lee, Thomas Moehl, Arianna Marchioro, Soo-Jin Moon, Robin Humphry-Baker, Jun-Ho Yum, Jacques E. Moser, Michael Graetzel & Nam-Gyu Park (Nature Scientific Reports, 2012. 8. 21. 출판) 1. 연구 내용   염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성을 할 때 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다. 염료감응 태양전지의 작동원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료는 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성한다. 전기적 일을 마친 전자는 전해질 또는 홀전도체를 경유하여 다시 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다. 염료감응 태양전지는 두 가지 형태로 제조될 수 있는데, 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극과 산화환원 전해질로 구성된 액체형 구조가 있고, 다른 형태는 액체 전해질 대신 고체 홀전도체로 구성된 고체형 구조가 있다. 액체전해질은 주로 요오드 물질을 이용하게 되며, 고체형 홀전도체는 스피로(spiro)라는 물질을 이용한다. 액체전해질형은 이산화티타늄 필름 두께가 10 마이크로미터 이상을 요구하는 반면, 고체형은 1-2 마이크로미터로 더 얇은 박막구조가 가능하다. 액체전해질은 전해질 누액이 문제가 될 수 있지만 고체형은 이런 문제가 없는 보다 안정적인 태양전지가 가능하다. 최근 연구는 장기 안정성 문제를 해결하면서 박막화로 낮은 제조단가가 가능한 고체형 연구에 많은 노력을 집중하고 있다.    염료로 사용되는 물질로는 천연염료, 합성염료 등이 많이 사용되어 왔으며 주로 유기물질 (탄소, 수소, 산소, 질소로 이루어진 물질)로 구성되어 있다. 하지만 유기염료는 흡광계수 (빛을 흡수하는 정도)가 10,000-50,000 정도로 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 이산화티타늄 두께가 10 마이크로미터 이상이 요구되는 반면, 무기물질 (주기율표에서 모든 원소)로 구성된 염료는 유기염료 보다 흡광계수가 10배 이상 높기 때문에 상대적으로 낮은 1-2 마이크로미터 두께의 이산화티타늄에서도 충분히 빛을 흡수할 수 있다. 이런 이유로 최근 고체형 박막 염료감응 태양전지에서는 무기물질을 나노크기의 양자점으로 이산화티타늄에 흡착하여 고효율화 연구에 주력하고 있다.     고체형 염료감응 태양전지용 무기반도체 염료로는 주로 황을 포함하는 물질, 예를 들면 CdS, Sb2S3 등이 연구되어 왔으며, Sb2S3 물질을 이용하여 효율 6.3%가 지금까지 알려진 최고 수준이었다. 하지만 고체형 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 5-6% 효율 보다 더 높은 효율의 재료 및 소자기술이 요구된다.     본 연구에서는 페로브스카이트 구조를 갖는 (CH3NH3)PbI3 광흡수물질과 spiro-MeOTAD 홀전도체를 이용하여 표준 태양광 조건에서 9.7%의 고체형 염료감응 태양전지를 개발하였다. 페로브스카이트 광흡수염료를 약 0.6 마이크로터 두께의 나노기공크기의 다공성 이산화티타늄 필름에 스핀코팅 공정을 이용하여 2-3 나노미터 크기로 흡착한 후 홀전도체를 나노기공 안으로 완벽하게 스며들게 하여 고효율의 고체형 소자를 제작하는데 성공하였다. 특히 500 시간의 장기안정 테스트에서 제작된 고체형 염료감응 태양전지는 특별한 보호막 (encapsulation)을 사용하지 않은 상태에서도 효율이 매우 안정적으로 유지가 되는 점을 확인하였다.  2. 연구 결과 (1) 고체형 염료감응 태양전지 제작: 그림 1에서와 같이 식각된 투명전도성 기판에 20 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자를 스크린 인쇄 또는 필름캐스팅 방법을 이용하여 약 0.6-1.5 마이크로미터 두께로 코팅한 후 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료를 상온에서 스핀코팅법을 이용하여 이산화티타늄 입자 표면에 2-3 나노미터의 양자크기로 흡착한 후 spiro-MeOTAD 홀전도체를 적층하고 골드전극을 증착하여 제작하였다.  그림 1. (a) 반도체 양자점 감응 고체 염료감응 태양전지 소자, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진 (2) 페로브스카이트 무기염료의 광흡수 특성: 이산화티타늄 나노입자 표면에 흡착된 페로브스카이트 무기염료는 분광학 분석기법을 이용하여 연구한 결과 밴드갭이 1.5 전자볼트로 가시광 빛을 효과적으로 흡수할 수 있는 구조를 가짐을 확인하였으며, 이산화티타늄과 홀전도체로 전자와 정공이 효과적으로 분리될 수 있도록 전도띠 (conduction band) 와 가전자띠 (valence band) 에너지를 가지고 있음도 확인하였다. 그림 2. 페로브스카이트 무기염료 (CH3NH3)PbI3 의 (a) 확산반사 분광스펙트럼, (b) Kubelka-Munk 형태로 전환한 스펙트럼, (c) (c) 자외선 광전자 스펙트럼 및 (d) 에너지 준위. (3) 광전변화 특성: 그림 3에서와 같이 솔라시뮬레이터를 이용 표준조건에서 광전류 및 전압 곡선을 얻었으며, 0.6 마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름을 이용하여 광전류 17.6 mA/cm2 및 광전압 888 mV 성능의 효율 9.7%를 확인하였다. 파장에 따른 양자수율을 측정한 결과 300에서 800 나노미터 파장의 빛을 효율적으로 전자로 변환하는 것을 확인하였으며 빛 세기에 따른 실험에서 전하분리가 효율적으로 된다는 사실도 확인하였다. 특히 서브마이크로미터 두께의 이산화티타늄 필름에서 9.7% 효율은 세계최고 수준으로 평가되었다.      그림 3. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료 감응 고체형 박막 태양전지의 (a) 광전류-전압 곡선, (b) 파장에 따른 광자-전자 변환 양자수율 및 (c) 빛세기에 따른 광전류 상관관계 (4) 이산화티타늄 필름 두께에 따른 광전변환 특성: 그림 4는 이산화티타늄 두께에 따른 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 광전변환 특성을 보여주고 있다. 약 1 마이크로미터 이하의 두께에서는 평균 8% 이상의 효율을 가지며 1 마이크로미터 이상에서는 광전압의 감소로 인하여 효율이 7% 수준으로 감소함을 알 수 있다. 특히 1 마이크로 이하의 서브마이크로미터에서 효율이 증가함을 알 수 있으며 0.6 마이크로미터에서는 9% 이상의 고효율이 확인되었다.  그림4. 이산화티타늄 필름두께에 따른 (a) 광전류, (b) 광전압, (c) 충진계수 (fill factor) 및 (d) 효율 (5) 펨토초 순간흡수 분광법을 이용한 효율적 전하분리 확인: 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 빛 조사 하에서 페로브스카이트 무기염료에서 발생된 전하 (전자와 정공)가 어떻게 분리되는가를 알기 위해 펨토초 (1015분의 1) 순간흡수 분광스펙트럼을 연구한 결과 1 나노초 이내에서 여기된 페로브스카이트가 재생되며, 산화된 페로브스카이는 매우 빠른 속도로 홀전도체에 의하여 환원됨을 확인하였다. 그림 5. 페로브스카이트 (CH3NH3)PbI3 무기염료의 펨토초 순간흡수 스펙트럼 (a) (CH3NH3)PbI3/Al2O3 (b) (CH3NH3)PbI3/TiO2, (c) Spiro/(CH3NH3)PbI3/Al2O3 및 (d) Spiro/(CH3NH3)PbI3/TiO2. (6) 장기안정성: 페로브스카이트 무기염료 감응 고체 박막 태양전지의 장기안정성을 조사한 결과 따로 보호막을 사용하지 않고도 500 시간동안 효율이 안정적으로 유기되는 것을 확인하였다 (그림 6) 그림6. (CH3NH3)PbI3 유무기하이브리드 반도체 염료 기반 고체형 박막태양전지의 장기안정성 테스트 결과

 

 용  어  설  명

유무기하이브리드반도체
유기물(탄소와 수소로 이루어진 물질)과 무기물(탄소, 수소 이외 원소로 이루어진 물질, 탄소 수소도 포함될 수 있음)이 복합된 반도체. 반도체는 일반적으로 무기물로만 구성 된다.

서브마이크로미터
1 마이크로미터 이하의 두께. 1 마이크로미터는 100만분의1 미터

흡광계수
빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수. 흡광계수가 높을수록 박막화가 가능

spiro-MeOTAD
홀전도체 물질로서 정확한 분자명칭은  2,2',7,7'-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)- 9,9'-spirobifluorene.

IPCE (incident photon-to-electron conversion efficiency)
파장에 따른 광자를 전자로 변환하는 양자효율.

페로브스카이트
ABO3 또는 ABX3 화학식을 갖는 결정. A 양이온은 산소 (O) 또는 할로겐원소 (X)와 12 배위를 하고 B 양이온은 6배위를 하는 결정구조.

양자점 감응 염료감응 태양전지 (Quantum Dot Sensitized Solar Cell)
유기염료(색소)를 대신 나노크기의 반도체 광흡수체를 이용하는 염료감응 태양전지. 양자점 광흡수체는 전해질에 취약하기 때문에 액체전해질 대신 spiro-MeOTAD와 같은 홀전도체를 이용할 경우 안정성 문제를 해결할 수 있다.      

양자점
나노미터(10억분의 1미터) 크기의 반도체 결정

광전변환 효율 
햇빛을 전기로 바꾸는 효율로, 높을수록 더 많은 전기를 생산함. 기존 반도체염료감응형 태양전지는 최대 5~6%의 효율을 나타냄

차세대 박막 태양전지
염료감응형 태양전지(염료 이용), 유기박막 태양전지(유기고분자와 풀러렌 이용) 등

표준 태양광조건
태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1㎠당 100㎽ 조건(1태양조건) 

<박남규 교수>(교신저자) 1. 인적사항   ○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학부 교수 2. 학력   ○ 1988 : 서울대학교  학사 (화학교육)   ○ 1992 : 서울대학교 석사 (무기화학)   ○ 1995 : 서울대학교 박사 (무기고체화학)   3. 경력사항 ○ 1996 ~ 1997 : 프랑스 ICMCB-CNRS, Postdoc Fellow ○ 1997 ~ 1999 : National Renewable Energy Lab (NREL), Postdoc Fellow ○ 2000 ~ 2005 : 한국전자통신연구원, 책임연구원 ○ 2005 ~ 2009 : 한국과학기술연구원 (KIST), 태양전지연구센터장 ○ 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학공학부, 교수 ○ 2010 ~ 현재 : 교과부 연구재단 중견연구자(도약연구) 연구책임자 4. 수상실적   ○ 이달의과학기술자상 (2008년, 교육과학기술부)   ○ 경향전기에너지 국무총리상 (2008년, 경향신문)   ○ 듀폰과학기술상 (2010년, 듀폰코리아) 5. 주요연구업적 1. "Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%", Nature Scientific Reports, 2012 (DOI: 10.1038/srep00591) 2. "Effects of Oxidation State and Crystallinity of Tungsten Oxide Interlayer on Photovoltaic Property in Bulk Hetero-Junction Solar Cell", J. Phys. Chem. C, 116, 13486 (2012) 3. "Improvement of mass transport of the [Co(bpy)3]II/III redox couple by controlling nanostructure of TiO2 films in dye-sensitized solar cells", Chem. Commun., 47, 12637 (2011) * Detailed publication list can be found at http://ngplab.skku.edu

한전전력연구원이 화석연료의 연소과정 중 발생하는 이산화탄소를 전량 회수하는 0.7MW급 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'를 세계에서 두 번째로 개발했습니다.

이번 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 석탄화력발전소에서 발생하는 온실가스를 완벽하게 처리할 수 있고, 순산소 만으로 석탄을 완전연소할 경우 이산화탄소를 전량 회수할 수 있습니다.

또 기존 발전설비를 활용해도 공해물질을 전혀 배출하지 않기 때문에 청정발전이 가능한 획기적인 기술로 평가받고 있습니다.

이번 순산소 파일런 플랜트는 연소설비, 제어설비, 보일러 및 환경설비, 산소생산설비, 그리고 이산화탄소 압축 및 저장설비 등으로 구성됐고, 운전시뮬레이터는 별도로 구축하여 실증 및 상용화에 요구되는 핵심기술 연구개발에 활용할 계획입니다.

현재 '순산소 석탄화력 통합 파일럿 플랜트'는 독일과 스웨덴을 중심으로 유럽에서 처음 개발에 착수했고, 미국, 중국, 호주, 일본 등 다른 세계 여러나라에서 연구가 진행 중입니다.

한전전력연구원은 2015년까지 100MW급 실증시스템을 한국남동발전 영동화력발전소에 설치할 계획입니다.

화석연료의 사용은 필연적으로 이산화탄소의 증가를 가지고 오며, 이는 지구온난화 등 심각한 기후변화를 초래하게 되는 것으로 알려지고 있습니다.

그런데 IEA 보고서에 따르면 2050년까지도 화석연료의 비중이 70% 이상을  유지할 것으로 전망됩니다.

CCS(이산화탄소 포집 및 저장) 설비의 세계 시장 규모는 2025년에 약 26조원에 이를 것으로 예측되고 있으며, 시장 선점을 위한 주요 선진국들의 기술 경쟁이 치열해지고 있습니다.

이런 가운데 한국에너지기술연구원이 석탄에서 이산화탄소를 원천적으로 제거하는 동시에 미래 청정에너지인 수소를 대량 생산할 수 있는 '분리막을 이용한 이산화탄소 포집 통합 공정 기술'을 개발했습니다, 
 
이는 기존 분리막보다 투과 성능을 혁신적으로 개선한 것으로, 수소 분리와 동시에 이뤄지는 이산화탄소 포집률이 기존 공정보다 4%~25% 향상된 90%이상으로 세계 최고 수준입니다.

이 같은 이산화탄소 포집률은 2011년 미국 에너지부(DOE)의 목표를 초과 달성한 것이며, 수소 투과 성능도 현재 142㎖/min.㎠로 미국 DOE의 목표치인 110㎖/min.㎠를 앞섰습니다.

또 이를 통해 CO2 포집비용을 톤당 10달러까지 줄일 수 있는 기반을 마련했습니다.

2015년 탄소세와 이산화탄소 포집 비용 또한 거의 동일해져 시장이 확대될 것으로 예측되고 있으며, 현재 이산화탄소포집 비용은 톤 당 40~60달러에 이릅니다.

이번에 개발된 기술은 석탄, 폐기물, 바이오매스 등 품질이 낮은 탄화수소 연료를 이용할 수 있고, 값 싼 석탄을 오염물질 배출 없이 깨끗하게 이용할 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소생산까지 가능한 기술입니다.

석탄가스화복합발전(IGCC)에 적용되는 이 공정은 가스화기에서 배출된 수소와 일산화탄소로 이뤄진 합성가스를 이산화탄소와 수소로 전환하고 분리막을 통해 선택적으로 수소를 분리하는 동시에 이산화탄소를 포집합니다.

저장된 수소는 연료전지 발전이나 수송용으로 활용될 수 있게 됩니다.

연소 전 이산화탄소 포집 시스템 공정도

연구팀이 자체 개발한 '팔라듐계(Pd-Cu계) 분리막'은 공정의 효율성과 우수한 성능, 저가의 포집비용을 가능하게 한 핵심원천기술로, 기존 분리막보다 합성가스 처리량이 7배 이상 향상됐으며 초박막화 기술을 통해 고가 소재의 사용량을 획기적으로 줄였습니다.

분리막 모듈

기존 분리막은 30㎛ 두께의 팔라듐 박(箔, foil)을 코팅해 제조했으나, 자체 개발한 분리막에는 신기술을 적용, 팔라듐 박을 3㎛ 두께로 초박막화하여 소재 사용량을 1/10까지 줄였으며 기존 투과도의 한계를 극복했습니다.     

500MW 규모의 발전소에 적용할 경우 기존 분리막은 1200억 원의 비용이 들어가지만, 이번에 개발된 분리막은 60억 원으로, 기존 분리막의 5% 수준에 불과해 높은 수준의 기술 경제성을 확보했습니다. 

또한 각각의 분리막을 적층한 모듈은 30기압 이상 고압에서 견딜 수 있도록 설계·제작 됐으며, 이를 통해 고압 분리막 모듈화 기술도 달성했습니다.

이는 가스화기에서 발생한 압력을 그대로 사용, 투과성능 향상은 물론 압력차로 인해 에너지 손실이 발생하는 다른 포집기술에 비해 효율적이며 공정을 단순하게 합니다.

이렇게 개발된 통합공정은 분당 2리터의 가스처리 능력을 가진 실험실 규모의 공정과 시간당 1000리터의 탄화수소를 처리할 수 있는 파일럿 설비를 이용한 실증에 모두 성공했습니다.

연구책임자인 백일현 박사는 이 기술이 저비용 이산화탄소 포집 기술 개발을 위한 기폭제 역할을 할 것으로 내다보고 향후 석탄가스화 시스템과 연계한 2단계 사업을 통해 상용화를 앞당길 예정입니다.

 CCS 설비 시장이 활성화 되는 2025년 경 이를 상용화해  국내 발전소에 적용될 경우, 연간 220만 톤의 이산화탄소 저감효과와 7400억 원의 국내 시장, 2조 6000억 원의 수출시장을 선점하는 경제적 파급효과가 있을 전망입니다.

2l/min 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정

1Nm3/h 분리막을 이용한 연소전 포집 통합 공정