기획특집: 차세대 태양전지 · 2017. 4. 10. · 기획특집: 차세대 태양전지 28...

KIC News, Volume 20, No. 2, 2017 25

1. 서 론1)

태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로

전환하는 장치로, 태양광 발전 시스템의 핵심 부

품이다. 태양전지는 P-N 접합으로 구성된 반도체

소자로 반도체의 밴드갭보다 큰 에너지의 빛이 입

사되면 반도체 내부에 전자-정공 쌍이 생성되고,

생성된 전자-정공 쌍이 P-N 접합부에 형성되어 있

는 전기장에 의해 서로 반대 방향으로 이동하면서

외부에 연결된 도선에 전류가 흐르게 된다. 태양

광 발전을 위해서는 태양전지 셀 여러 장을 직렬

로 연결하여 패널 형태의 모듈로 제작하고, 이러

한 모듈을 직병렬로 연결하여 설치하게 된다. 태

양전지는 빛을 흡수하는 소재의 종류에 따라 Si계,

화합물반도체계, 유기계 등으로 분류될 수 있으며,

†주저자 (E-mail: [email protected])

종류에 따라서는 1세대(결정질 실리콘), 2세대(실

리콘박막, CIGS 및 CdTe 박막), 3세대(염료감응,

유기) 및 차세대(양자점, 플라즈몬 등)로 분류할

수 있다.

2. 염료감응 태양전지의 구조 및 작동 원리

염료감응 태양전지(DSSC)는 태양으로부터 입

사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장

영역의 광을 효과적으로 이용하기 위하여 가시부

에 선택적 광흡수대를 가지는 염료와 염료로부터

여기된 전자 이동을 담당하는 wide bandgap 반도

체인 TiO2 (bandgap : 3.2 eV)역할이 분리되어 있

다. 다른 태양전지에 비해 비교적 간단한 소자 구

조를 가지며 제작 방법 또한 간단하고, 사용하는

소재 또한 친환경적이어서 향후 많은 발전 가능성

을 내포하고 있다. 염료감응 태양전지는 식물의

염료감응 태양전지의 연구 동향

조 효 정⋅황 대 규⋅김 대 환⋅강 진 규†

DGIST 태양에너지융합연구센터

The Technology Development of Dye Sensitized Solar Cells

Hyo Jeong Jo, Dae-Kue Hwang, Dae-Hwan Kim, and Jin-Kyu Kang†

Convergence Research Center for Solar Energy, DGIST

Abstract: 화석연료의 대량소비에 의한 온난화와 대기오염 등 지구 환경문제와 에너지 문제는 21세기에도 인류의 제

일 중요한 과제로 될 것이다. 태양전지는 깨끗하고 무한한 태양에너지를 가장 효율적인 에너지 형태로 직접 변환하기

때문에 지구상 어느 장소에서도 이용 가능하며, 에너지, 환경의 가장 근원적인 해결책이 될 것으로 기대되고 있다. 그러나 이러한 열망에도 불구하고 태양전지의 폭넓은 보급을 위해서는 가격 경쟁력을 확보하는 것이 무엇보다 중요하

며, 염료감응 태양전지는 기존의 박막태양전지에 비해 값싸게, 친환경 소재들로 제조할 수 있다는 가능성으로 인해

큰 주목을 받게 되었다. 특히 나노 입자 크기의 산화물 반도체를 이용하기 때문에 약한 광, 흐린 날에도 다른 태양전지

들에 비해 고효율을 낼 수 있다. 또한, 염료구조의 다변화를 통한 태양전지의 컬러화 구현이 가능한 장점을 가지고

있기 때문에 매우 경쟁력 있는 소자로서 학계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있다. 비록 염료감응 태양전지의

효율은 실리콘 태양전지 대비 절반수준에 불가한 수준이지만, 제조 단가를 5분의 1로 낮출 수 있다는 점에서 많은

기업들이 관심을 가지고 있다. 본 논문에서는 향후 상업적 및 학문적 발전 가능성이 무궁무진한 염료감응 태양전지에

대하여 구조와 원리 및 연구동향에 대하여 기술하고자 한다.

Keywords: Dye sensitized solar cells, Indoor generation type, BIPV (Building Intergrated Photovoltaic System)

기획특집: 차세대 태양전지


26 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

광합성 원리를 응용한 소자로 엽록체에서 빛에너

지를 흡수하는 기능의 색소를 결합시켜 태양전지

에 적용한 경우이다. 염료감응 태양전지는 태양광

흡수용 염료고분자, n형 반도체 역할을 하는 넓은

밴드갭을 갖는 반도체 산화물, p형 반도체 역할을

하는 전해질, 촉매용 상대 전극, 태양광 투과용 투

명전극을 기본으로 한다. 이 전지가 기존의 태양

전지와 다른 근본적인 차이점은 기존의 태양전지

에서는 태양 에너지의 흡수 과정과, 이 과정에서

형성된 전자-정공 쌍이 분리/이송되는 과정이 전

지 내부의 전위차에 의해 반도체 내에서 동시에

일어나지만, 염료감응 태양전지는 태양에너지의

흡수는 염료가 담당하고, 생성된 전자-정공의 분

리/이송은 전자 농도 차에 의해 확산하는 방식으

로 반도체 나노입자에서 이루어진다. 염료감응 태

양전지의 기본구조는 Figure 1에서 보는 것과 같

이 투명기판의 샌드위치 구조를 갖는다. 전지 내

부는 투명기판 위에 코팅된 투명전극, 그 위에 접

착되어 있는 나노입자로 구성된 다공질 TiO2,

TiO2 입자의 표면에 코팅된 염료분자, 두 전극 사

이에 30~100 µm 두께의 공간을 채우고 있는 산화

/환원용 전해질 용액, 그리고 전해질환원용 상대

전극으로 구성되어 있다. 태양광이 전지에 입사되

면 투명기판과 투명전극을 투과한 광양자는 염료

에 의해 흡수된다. 염료는 태양광 흡수에 의해 여

기 상태가 되면서 전자를 생성하고, 이렇게 생성

된 전자는 TiO2 전도대로 이송되어 투명전극을 통

해 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하게

된다. 태양광 흡수에 의해 산화된 염료는 전해질

용액으로부터 전자를 공급 받아 원래 상태로 환원

된다. 이때 사용되는 전해질은 주로 I-/I3-의 산화/

환원 쌍으로써 상대 전극으로부터 전자를 받아 염

료에 전달하는 역할을 담당한다[1].

종류 특징 변화효율 단계

실리콘계

결정계

• 단결정 Si 기판 이용

• 장점 : 성능, 신뢰성

• 과제 : 저가격화

~20% (단결정)~15% (다결정)

실용화

박막계

• a-Si이나 미세결정 박막을 기판 위에 형성

• 장점 : 대면적으로 양산 가능

• 과제 : 효율 낮음

~9% (비정질) 실용화

화합물계

CIGS계• Cu, In, Se 등을 원료로 하는 박막형

• 장점 : 자원절약, 양산 가능, 저가격

• 과제 : In의 자원량

~14% 실용화

CdTe계• Cd, Te을 원료로 하는 박막형

• 장점 : 자원절약, 양산 가능, 저가격

• 과제 : Cd의 독성

~13% 실용화

집광계

• 3족과 5족 원소로 된 화합물 다접합 집광기술 적용

• 장점 : 초고성능

• 과제 : 저가격화

셀효율 ~38% 실용화

유기계

염료감응

• TiO2에 흡착된 염료가 광을 흡수하여 발전하는 새로운

타입

• 장점 : 저가격화 가능성

• 과제 : 고효율화, 내구성

셀효율 ~14% 연구단계

유기박막

• 유기반도체를 이용하는 박막형

• 장점 : 저각격화 가능성

• 과제 : 고효율화, 내구성


페로브스카이트

• Pb, I가 유기물에 결합된 유무기 하이브리드 박막형

• 장점 : 고효율화

• 과제 : Pb의 독성, 내구성


Table 1. 태양전지 종류 및 특징



3. 염료감응 태양전지 특징

일반적인 PN접합태양전지와는 다른 고체/액체

접합 광전기화학기반 유무기복합 태양전지인 염료

감응 태양전지는 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

1) 입사각 효과 : Si 태양전지는 입사각의 변화

에 대하여 민감하게 반응하여 입사각에 따라 효율

감소가 두드러지지만, DSSC는 입사각에 따라 효

율의 감소분이 거의 없다. 이와 같은 특징으로 흐

린 날 혹은 아침과 저녁의 발전량이 타 태양전지

대비 높게 나타나므로 상대적으로 낮은 효율임에

도 불구하고 일간 총발전량이 우세하게 나타나고

있다. 이로 인해 태양전지 입사각 제어가 불가능

한 건물 벽면 및 북향의 건물에 응용이 적합하다.

2) 온도효과 : Si 태양전지는 상온인 25 ℃에서

45 ℃로 상승하면 효율이 10% 이상 감소한다. 그

러나 염료감응 태양전지의 경우 온도증가에 따라

효율이 증가하는데, 45 ℃까지 온도가 증가하면

5% 이상 증가하게 된다.

3) 그림자 효과 : Si 태양전지의 경우 그림자 등

에 의한 광량 감소에 민감하여 전력 생산이 감소

하게 되지만, 염료감응 태양전지의 경우 전기화학

태양전지가 가지는 높은 정전용량으로 인하여 광

량에 따른 발전량 응답속도가 느려 그림자 효과에

의한 발전량의 감소가 크지 않다는 장점이 있다.

4) 약한 광량하 발전 : Si 태양전지를 비롯한

PN접합 태양전지는 광강도가 낮은 약한 광량상태

에서는 태양전지 다이오드 저항이 매우 높은 상태

로 되어 발전량이 급속히 감소하지만 염료감응 태

양전지는 고분산성 나노입자로 이루어져 있어 약

광발전특성이 우수하다. 이를 이용한 실내발전응

용도 가능하므로 태양전지의 응용범위 확대가 가

능하다.

이러한 염료감응 특징은 향후 발전용 Si 태양전

지와 궁극적으로 경쟁이 가능하다는 측면에서 중

요한 특성으로 분류되며 낮은 발전 단가를 고려하

면 뛰어난 경제성을 내포하고 있다고 판단되는 근

거가 된다. 또한 염료감응 태양전지의 입사각특성,

약광발전특성, 그림자특성 등은 염료감응 태양전

지의 가장 유력한 시장으로 예상되고 있는 건자재

일체형태양전지(BIPV)에 적합한 태양전지로서 기

대를 모으고 있다.

Figure 1. (좌) 염료감응 태양전지 구조 (우) 염료감응 태양전지 작동원리 및 에너지 레벨 모식도.

Figure 2. 염료감응 태양전지 특징.


28 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

4. 염료감응 태양전지 기술 개발 동향

4.1. 광전극

TiO2는 크게 rutile, anatase, brookite 세 가지의

상을 지니고 있으며 이들 구조는 모두 TiO6 8면체

로 구성되어 있다. 구조의 차이는 8면체의 격자왜

곡과 이들 8면체의 연결 패턴이다. Rutile 구조에

서 개개의 TiO6 8면체는 10개의 다른 8면체와 접

촉하고 있고, anatase는 8개의 다른 8면체와 접촉

하고 있다. 전체적으로 rutile이 anatase보다 격자

왜곡이 덜 하여 대칭성이 높다. TiO2의 물리적 성

질에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나는 TiO6

8면체 내의 Ti-O 결합 길이이다. 즉 팔면체의 배

열과 Ti-O 결합 길이의 차이가 만드는 구조적 효

과가 결국 염료의 흡착과 TiO2의 전자 구조적 특

성에 영향을 미쳐, 대칭성이 낮고 왜곡이 심한

anatase가 rutile보다 높은 효율을 가져오는 것이

다. 특히 anatase상 TiO2의 밴드갭(3.2 eV)이 rutile

상 TiO2의 밴드갭(3.0 eV)보다 큰 것으로 알려져

있어, 염료감응 태양전지에서 보다 높은 개방전압

을 나타내고, 재결합 속도도 rutile 쪽이 더 빨라,

anatase상 TiO2가 더 좋은 효율을 가져온다. 특히

염료감응 태양전지의 광전극의 특성은 입자의 상

뿐만 아니라, 크기, 모양, 응집상의 형태 등 형상과

깊은 관련을 지니고 있다. 형상과 관련하여 효율

에 영향을 미치는 주요한 작용 인자는 광전극을

통한 전자의 전달과 광전극 표면에서의 염료의 흡

착, 그리고 염료에서 광전극으로 전달된 전자의

재결합, 빛의 산란효율 등이다. TiO2 광전극의 종

류와 그 특성을 Table 2에 나타내었다.

특히 염료를 흡착할 수 있는 전극 소재는 밴드

갭 에너지가 큰 반도체 나노결정(약 20 nm)산화물

을 주로 사용하는데 이것은 입자 크기 감소에 의

한 비표면적 증가로 보다 많은 양의 광감응 염료

분자를 흡착시킬 수 있기 때문이다. 입자의 크기

가 수 나노미터 이하로 지나치게 작게 되면 염료

흡착량은 증가하지만, 반면 표면상태 수가 증가하

여 재결합 자리를 제공하게 되는 단점도 있다. 따

라서 입자크기, 형상, 결정성 그리고 표면상태를

조절하는 기술은 염료감응 태양전지에서 중요한

연구이다. 고성능 광전극 소재 제조를 위하여 계

면의 전자전달 방해를 최소화 하는 나노선이나 나

노튜브와 같은 1차원 구조에 대한 연구가 지속적

으로 이루어지고 있다. 광전극을 통한 전류의 양

은 흡착된 염료의 양에 비례하고, 이는 광전극의

표면적과 깊은 연관이 있기 때문에 표면적 향상

기술로 광전극 입자의 표면에 거칠기를 증가시키

거나, 3차원적인 계층구조(hierarchical structure)

를 도입하는 방법이 제시되고 있다[2].

분류 종류 장점 단점

0차원

나노입자높은 표면적

높은 광흡수 및 산란

낮은 전자전달속도

긴 전자이동 경로

Core-shell구조낮은 전자재결합 속도

에너지밴드 구조 조절 높은 개방전압

제조의 어려움

염료흡착에 불리

낮은 광전류 밀도

1차원나노선, 나노튜브, 나노로드,

나노섬유, 나노스핀들

높은 전자전달 속도

높은 광전류밀도

낮은 표면적

전자재결합 제어에 불리

2차원 나노메시, 나노시트

높은 전자전달 속도

유연성

빛의 산란효율 향상

낮은 표면적

비교적 낮은 효율

3차원 계층구조, 마이크로볼, 광결정구조

빛의 산란효율 향상

전해질 공간 확보

전자 전달 속도 향상

낮은 표면적

혼합 나노튜브/나노입자, 나노선/나노입자 1차원 구조의 낮은 표면적을 나노입자로 보완 최적화의 어려움

Table 2. TiO2 광전극의 종류와 그 특성



4.2. 탄뎀 구조

염료감응 태양전지의 큰 단점 중 하나가 넓은

광 파장영역을 흡수하는 만능 염료가 없다는 것이

다. 이를 극복하기 위한 대안이 단일 염료에서는

찾기 힘들 것으로 생각된다. 이 때문에 여러 염료

를 조합하여 사용하는 태양전지가 필연적으로 관

심을 받고 있다. 이 때문에 최근 광전극을 다층으

로 만들고, 각 층마다 서로 다른 염료를 사용하는,

판크로마틱(panchromatic) 탄뎀 태양전지가 주목

을 받고 있다. 판크로마틱 태양전지를 만들기 위

해서는 TiO2 광전극에 두께 방향으로 각 층마다

다른 염료가 들어가야 하므로, 광전극의 제작공정

과 염료의 흡착공정이 혼재하는 특별한 공정이 필

요하다. Figure 3에서 보이는 것처럼, 이들은 폴리

스틸렌이 채워진 TiO2 광전극을 고정상으로 사용

하고, bronsted 기반의 고분자 용액을 이동상으로

사용하는 칼럼 크로마토그래피 개념을 도입하여,

염료를 선택적으로 흡착, 탈착시키는 방법으로 황

색, 적색, 녹색의 염료를 분리하여 흡착시킬 수 있

었다[3].

판크로마틱 탄뎀 염료감응 태양전지를 이용하

여 고효율을 얻는 것은 먼저 빛이 도달하는 염료

층에서 빛의 흡수가 먼저 일어나기 때문에 다음

염료층에 도달하는 광손실이 발생하여 전체적으

로는 효율이 향상되지 않을 수도 있다. 그러므로

빛이 먼저 도달하는 상부층 광전극의 두께 및 투

과도가 잘 조절되어야 하며 복수의 광전극 층이

전기적으로 직렬 또는 병렬의 회로를 형성하기 때

문에 개방전압과 단락전류가 잘 조절되어 최적의

회로를 형성하도록 하여야 전자 손실이 최소화될

Figure 3. 폴리스틸렌이 채워진 TiO2 광전극과 선택적 흡착/탈착을 통한 탄뎀형 염료감응 태양전지[3].


30 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

수 있다. 이러한 문제들 때문에 실제 염료감응 태

양전지 뿐만 아니라 대부분의 탄뎀 태양전지의 효

율이 개개의 태양전지의 합보다 못하거나, 때로는

단일층 태양전지보다 낮은 효율을 얻게 된다. 이

를 극복하기 위해서는 각층의 광전극 두께, 염료

의 종류, 투과도 등의 제반 인자들을 엄밀하게 조

절하여야 한다.

4.3. 상대 전극

염료감응 태양전지에서 상대 전극으로 가장 많

이 사용되고 있는 물질은 백금(Pt)으로 우수한 특

성을 보인다. 용액 또는 페이스트 상태로 제작된

백금이 포함된 물질을 기판 위에 도포하고 열처리

함으로서 간단하게 제작된다. 백금 전극은 나노선

의 상태로 기판 위에 형성되므로 그 사용량도 매

우 적어, 경제적으로도 부담이 크지 않은 편이다.

그러나 향후 백금이 연료전지와 같은 다양한 곳에

사용되어 가격이 상승하고, 나노 페이스트로 제작

되어 양산 공정에 들어가면 그 비용이 만만치 않

은 것으로 알려져 있다. 특성 면에서도 백금은 염

료가 전해질에 일부라도 용해되어 들어가면, 착화

합물을 형성하여 급격히 성능이 나빠지는 문제가

있고, 표면적이 적어 전극의 일부라도 촉매 활성

을 잃어버리면 전체 태양전지의 효율이 저하되는

등의 장기안정성 면에서는 개선의 여지가 있다. 이

때문에 백금 대체 상대 전극에 대한 연구가 진행되

어 왔으나, 광전극이나 전해질, 염료와 같은 다른

태양전지 구성 물질에 비해 그리 많이 보고되지는

않고 있다. 현재 유용한 백금 대체 상대 전극으로

는 탄소나노튜브(CNT)와 그래핀(Graphene) 등의

보고가 있다[4,5].

4.4. 염료

염료감응 태양전지에 사용되는 염료는 루테늄

계 유기금속화합물, 유기화합물로 알려져 있다. 염

료감응 태양전지용 염료가 갖추어야 할 조건은 가

시광선 전영역의 빛을 흡수할 수 있어야 하며, 나

노산화물 표면과 견고한 화학결합을 이루고 있어

야 하며, 열 및 광학적 안정성을 가져야 한다. 초기

단계에서는 루테늄계 유기금속화합물이 우수한 것

으로 보고되었으나, 현재로는 루테늄 화합물과 비

슷한 효율의 silane계 유기염료가 개발되었다[6].

4.4.1. 유기금속염료

태양전지용 루테늄계 염료는 중심금속 루테늄

주위에 피리딘계와 SCN 리간드가 배위되어 있다.

피리딘 고리가 2∼4개로 증가하면 MLCT (Metal

Ligand Charge Transfer, 금속에서 리간드로 전하

이동)에 해당하는 피크가 장파장으로 이동하게 되

는데 주로 루테늄 금속의 MLCT 현상을 통한 전

색체 흡수 향상에 초점을 두고 다양한 전자 주게

및 전자 받게 리간드들의 도입을 통한 최적화된

구조의 선택 및 성능향상에 대한 연구가 활발히

진행되었다. 루테늄계 염료 중에서 대표적인 것으

로 바이피리딘 리간드를 가지는 붉은색을 띄는

N3 (수소가 4개 있으며, 이 중 2개가 테트라부틸

Figure 4. 염료의 리간드 구조에 따른 염료색상의 변화.



암모늄이온(TBA)으로 치환된 것을 N719라 명명함)

와 테트라피리딘 리간드를 갖는 N749 염료가 있다.

비록 Ru(II)염료와 같은 유기금속 염료의 광전

변환 효율이 11% 이상의 고효율을 나타내고 있지

만, Ru 금속의 한정된 자원과 최근 전 세계적으로

환경에 대한 관심과 제한적인 응용성을 고려했을

때 높은 몰흡광계수, 낮은 가격, 다양한 응용성을

가진 유기염료의 개발이 필요하다.

4.4.2. 유기염료

유기염료는 흡광 효율이 높아서 빛을 잘 흡수할

수 있고, 다양한 구조의 분자설계가 용이하여 흡

수 파장대를 자유롭게 조절할 수 있으며 유기금속

염료보다 저가로 합성할 수 있는 장점이 있다. 그

러나, 유기금속 염료에 비해 내구성이 낮으며 유

기 분자의 특성상 분자 간 인력에 의한 stacking이

쉽고, 광흡수 후 여기상태 수명이 짧고, 가시광선

영역의 흡수 파장대 폭이 좁아 전파장대의 빛을

흡수하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이를 극

복하기 위해서 공흡착체(co-adsorgent)로서 deo-

wycholic acid (DCA)를 활용하여 stacking을 방지

하고, 친수성 전해질과의 재결합을 방지하기 위해

염료의 외면을 소수성기로 치환하여 내구성을 높

이고, 다양한 콘쥬게이션 유닛을 도입하여 넓은

파장 영역을 흡수하는 다양한 기능성 유기염료의

개발이 진행되었다. 유기염료의 일반적 구조는 전

자 주게(donor)-스페이서(conjugation)-전자 받게

(acceptor)로 이루어진다. 전자 주게는 coumarine,

fluorene, triphenylamine, porphyrine 등을 사용하

고, 스페이서로 thiophene 계열 그리고 전자 받게

로 acrylic acid 등을 사용한다. 대표적인 유기염료

의 조합은 다음과 같다.

다양한 전자 주게와 전자 받게 그리고 콘쥬게이

션의 조합으로 밴드갭 조절, 염료와 전해질의 재

결합을 방지하기 위한 소수성 기능성기를 도입한

유기염료 및 판상 형태의 염료 개발을 통해 루테

늄계 보다 우수한 유기염료가 발표되고 있다[6,7].

4.5. 전해질

전해질은 염료감응 태양전지의 내구성 향상 뿐

만 아니라 연속 제조 공정에서 중요한 역할을 한

다. 전해질은 주로 이온 전도도 향상을 통한 에너

지 변환 효율 향상과 내구성 향상을 중요한 연구

목표로 하고 있다. 아울러 계면에서의 전자 전달

에 대한 이해와 에너지 변환 효율 향상 방법에 대

한 연구가 활발히 진행 중이다. 염료감응 태양전

지에서 전해질은 I-/I3-와 같이 산화-환원 종으로 구

성되어 있으며, I- 이온은 리튬아이오딘, 소듐아이

오딘, 알칼리암모늄 요오드 또는 이미다졸리움 요

오드 등이 사용되며, I3- 이온은 I2를 용매에 녹여

생성시킨다. 전해질의 매질은 아세토니트릴과 같

은 액체 또는 PVDF와 같은 고분자가 사용될 수

있다. I-는 염료분자에 전자를 제공하는 역할을 하

고 산화된 I3-는 상대 전극에 도달한 전자를 받아

다시 I-로 환원된다. 액체형의 경우 산화-환원 종

이 매질 내에서 신속하게 움직여 염료의 재생을

원활하게 도와주기 때문에 높은 에너지 변환 효율

이 가능하지만, 전극간의 접합이 완전하지 않을

경우 누액의 문제를 가지고 있다. 반면 고분자를

매질로 채택할 경우에는 누액의 염려는 없지만 산

화-환원 종의 움직임이 둔화되어 에너지변환 효율

에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 기본적으로 염료감응

태양전지의 광특성 개방전압, 단락전류, 충진인자,

광전변환 효율, 장기안정성 등은 전해질의 선택에

큰 영향을 받게 되며, 따라서 우수한 태양전지 성

Figure 5. 염료감응 태양전지의 대표적인 유기염료 조합군.


32 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

능과 장기안정성을 확보하기 위해서는 적절한 전

해질을 선택하는 것이 무엇보다도 중요하다. 염료

감응 태양전지에 적용 가능한 전해질의 종류와 특

징을 나타내었다.

5. 염료감응 태양전지 연구기관 동향

5.1. EPFL

스위스의 EPFL은 원천특허 및 다수의 핵심특

허를 보유하고 있으며 그라첼 교수 연구그룹을 중

심으로 염료감응 태양전지 기술을 선도하고 있다.

연구 분야는 신규염료 개발, 광전극 나노소재 개

발, 신규 전해질 기술개발 등 핵심소재 개발과 고

효율을 위한 신규 셀구조 기술 개발 등 염료감응

태양전지 전분야를 아우르고 있으며, 세계 각국에

다양한 분야의 전문가를 배출하고 있다. EPFL의

염료감응 태양전지 개발 실적은 염료감응 태양전

지의 역사라 할 만큼 기술을 선도하고 있다. EPFL

이 주도적으로 연구를 이끌어 가고 있는 부분은

염료, 전해질, 광전극으로 여러 분야에서 연구가

활발히 이루어지고 있다. 타 연구기관이 주로 한

분야에 대해서만 집중적으로 연구하고, 논문을 등

재하는 것과는 확연히 다른 양상을 보이고 있다.

현재 액체 전해질 조건에서 13%를 달성하고 있

다. 최근 기존 전해질이 포함된 액상 염료감응 태

양전지의 성능을 뛰어넘는 결과를 도출하고 있다.

5.2. NREL

NREL은 현재 미국 에너지성 산하에 위치한 국

립재생에너지 연구소이다. 신재생에너지의 거의

모든 연구를 진행하고 있으며 그중 가장 활발히

진행하고 있는 연구분야가 태양전지 분야로서 미

국의 국가 태양 에너지 개발 로드맵 기획의 핵심

기관이다. 특히 Frank 박사팀을 중심으로 고효율

TiO2 paste 제조기술을 보유하고 있으며, TiO2 구

조의 전자 전달 현상, 양자점 태양전지, 전해질의

확산과정 등을 심층적으로 연구하고 있다[8].

5.3. CIAC (Chanchun Institute of Applied

Chemistry)

중국과학원 소속의 장춘 응용화학 연구소(CIAC)

는 주로 유기염료와 전해질만을 집중적으로 연구

액체 전해질 이온성 액체 전해질 준고체 고분자 전해질 고체 고분자 전해질

구분 유기용매 + 염 이온성 액체 + 염 고분자 + 염 + 유기용매 고분자 + 염

이온전도도 높음(~10-2 S/cm) 높음(~10-3 S/cm) 높음(~10-3 S/cm) 낮음(~10-5 S/cm)

광전변환 효율 높음 높음 높음 매우 낮음

장기안정성 나쁨 우수함 우수함 우수함

대표 예 LiI + I2 in acetonitrile I2 in MHImI LiI + I2 + MPN + (PVDF – HFP) LiI + I2 in PEO

Table 3. 염료감응 태양전지에 적용 가능한 전해질의 종류와 특징

Figure 6. 스위스 로잔공과대학교(EPFL) 유리창 설치형 염

료감응 태양전지.

Figure 7. 염료감응 태양전지 고효율 TiO2 구조체(NREL

Frank 박사팀).



하고 있으며 TiO2는 NREL과 함께 공동연구를 진

행 중이다. 염료감응 태양전지 모듈 뿐만 아니라 플

렉시블용 소재 및 기능성 그래핀을 제조하고 있다.

5.4. IPP (Institute of Plasma Physics)

중국과학원 소속의 플라즈마 물리연구소(IPP)

는 대면적화로 제작한 모듈을 Rooftop용으로 상용

화하기 위해서 현재 개발하고 있는 셀, 서브모듈

대면적 모듈(450 mm × 800 mm)에 대한 야외 신

뢰성 평가를 진행 중에 있다.

5.5. AIST (Advanced Industrial Science

and Technology)

일본의 대표적인 태양전지 연구기관인 AIST

(산업기술 종합연구소)는 2008년 3월에 광변환 효

율이 11%에 이르는 텐덤형의 염료감응 태양전지

를 개발한 바 있다. 고효율화를 위한 텐덤화는 상

부셀의 높은 전류치를 하부셀과 매칭시키는 것이

어려워 병렬로 연결하여 고효율화를 달성할 수 있

었다. 그러나 염료감응 태양전지의 텐덤화는 전해

액이라는 액상을 상하부 전지에 정확하게 분리하

기 위해서는 투명 전도층이 삽입되는 문제가 있어

상용화를 위해 고체형 전해질 및 투명 촉매 전극

재료의 개발이 진행 중에 있다.

6. 염료감응 태양전지 산업체 동향

6.1. G24i power

G24i는 2006년 스위스의 EPFL로부터 염료감

응 태양전지 제조에 관한 라이선스를 획득한 후

2006년도 말에 5 MW 급 pilot line을 설립하여

metal foil 기판 위에서 롤투롤 인쇄법을 이용하여

염료감응 태양전지 상업화에 필요한 기술을 개발

하면서 소규모로 제품을 시생산해왔다. 2009년 10

월 MAscotte Industrial에 세계 최초로 염료감응

태양전지 상업용 제품을 선적하는 계약을 체결하

였다. G24i power는 자사의 플렉시블 염료감응 태

양전지 목표시장을 다음과 같은 3개(모바일 가전

기기 배터리충전용, 실내 DSSC 일체형 제품용,

실내 BIPV용도)의 품목으로 나누고 분야별 응용

기술 개발을 진행 중에 있다. G24i power가 생산

하는 제품은 충전 시트로 휴대전화기 충전용 제품

인데, 현재 휴대용 전화기의 생산량은 약 10억대

에 이르기 때문에 태양전지 충전 시트 시장은 무

궁무진할 것으로 전망된다. 특히 실내외에서 전자

기기용 전원으로 고려하고 있어 다양한 광조사 조

건에서 발전 성능을 평가하고 관련한 응용 시제품

을 출시하고 있다.

6.2. 이건창호

건물 창호 전문업체인 이건창호는 2006년부터

솔라에너지 사업을 제2의 도약을 위한 신성장동력

사업으로 선정하고 회사의 역량을 집중하고 있다.

이건창호는 독일의 슈코와 기술 제휴 및 공동연구

활동을 진행해 오면서 2008년 초에 솔라에너지 전

용 브랜드 이건솔라윈(EAGON SOLAR-WIN)을 런

칭하고 BIPV 사업을 적극적으로 추진하고 있다.

이건창호는 2008년부터 염료감응 태양전지를 자

체 개발해왔으며 2009년 9월에는 300 mm × 300

mm 염료감응 태양전지 시제품 개발에 성공하였

다. 또한 2010년 12월 국내에서는 최초로 염료감

응 태양전지 창호 시제품이 건자재 적합성을 테스

트 통과한 바 있다. 2015년 3월에는 국내 최초로

염료감응 태양전지를 적용한 고단열 BIPV 창호제

품을 서울시 인재개발원에 성공리에 시공을 완료

하였다. 염료감응 태양전지가 실제로 건물에 적용

되어 시공된 사례는 국내에서 처음이다. 향후 염료

감응 태양전지를 조명에 사용하는 충전용 제품 및

특후 모듈을 개발하는 등 염료감응 태양전지 기술

Figure 7. CIAC 개발 모듈.


34 공업화학 전망, 제20권 제2호, 2017

이 적용될 수 있는 상품군을 확대할 전략이다.

7. 결 론

DSSC는 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는

에너지 변환 효율과 낮은 제조 단가로 높은 관심

을 모으고 있으며, 컬러 및 투명한 특성으로 건물

외장 BIPV용 태양전지로 활용이 기대되고 있다.

DSSC는 경량, 높은 광투과성, 가격경쟁력 등으로

다양한 용도에 사용되는 장점이 있으나, 효율이 낮

고 장기 안정성이 부족한 단점이 있다. 최근의 주

요 기술개발 트렌드는 DSSC의 장점을 이용하여

산업적으로 활용하기 위한 고효율화 및 상용화를

위한 대면적화가 중요한 이슈이다. 주요 업체들의

BIPV제품 등장으로 DSSC 시장은 성장할 것으로

예상된다. 특히 수년 내에 국내외 업체의 진출로,

window 및 wall용 BIPV 제품이 본격적으로 시장

에 진입하면 그 성장은 가속화될 것으로 예상된다.

감 사

본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 부품소재

산업경쟁력향상(소재부품기술개발) 1단계 사업(과

제고유번호 : 10037239)과 2단계 사업(과제고유번

호 : 10050966) 지원에 의하여 이루어진 것입니다.

Figure 8. G24i power 그룹의 염료감응 태양전지 실용 사례.

Figure 9. 염료감응 태양전지 기술이 결합된 서울시 인재개

발원.



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조 효 정2008 영남대학교 화학공학과 학사

2010 영남대학교 화학공학과 석사

2010~현재 DGIST 연구원

김 대 환1996 서강대학교 화학공학과 학사

1998 POSTECH 화학공학과 석사

2002 POSTECH 화학공학과 박사

2005 삼성전자 책임연구원

2005~현재 DGIST 책임연구원

황 대 규2008 GIST 신소재공학과 박사

2010 Northwestern University 박사후연구원

2010~현재 DGIST 선임연구원

강 진 규1991 서울대학교 공업화학과 학사

1993 POSTECH 화학공학과 석사

1996 LG전자 주임연구원

2000 POSTECH 화학공학과 박사

2005 삼성전자 책임연구원

2005~현재 DGIST 책임연구원

Date post:	28-Sep-2020
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