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박막 태양 전지를 구현하는 첨단 화학 기술

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글/리암 크리츨리(Liam Critchley), 화학 및 나노 기술 전문 작가이자 저널리스트

자료제공/마우저일렉트로닉스

태양 전지는 광전지(Photovoltaic, PV)로도 알려져 있으며, 태양 광선의 광자를 전기로 변환하는 신재생 에너지 장치이다. 태양 전지는 다양한 형태로 제공되며 가장 일반적으로는 무기 물질의 형태로 구성된다. 하지만 기술이 발전함에 따라 다양한 박막 태양 전지가 출시되었다. 태양 전지는 잉크처럼 바르는 방식에서부터 유기 물질로 만들어지는 유연한 태양 전지, 퀀텀닷을 활용한 태양 전지, 염료감응 태양 전지 등 다양한 형태로 눈에 띄게 발전했다. 이 글에서는 오늘날 만들 수 있는 몇 가지 유형의 박막 태양 전지와 에너지 생성 과정에 있어 발생하는 화학 작용에 대해 살펴본다.

유기 태양 전지

유기 태양 전지는 태양 전지 중 두 번째로 흔한 형태이다. 유기 태양 전지는 일반적으로 고분자 물질을 사용하여 광자를 전기로 변환하며, 다른 유기 물질도 사용할 수 있다. 유기 태양 전지는 무기 태양 전지보다 생산 비용이 훨씬 저렴하고 유연하지만, 변환 효율은 훨씬 낮은 편이다. 무기 태양 전지와 달리 유기 분자는 용액 가공이 가능하며, 설계 엔지니어는 무기 태양 전지보다 훨씬 얇게 만들기 위해 이 같은 제형(formulation)을 사용할 수 있다.

폴리머의 화학적 조성은 전류를 생성하는 데 있어 중요하다. 폴리머의 밴드갭은 화학적 방법을 적용하여 변경할 수 있으며, 이는 전자적 조정(electronic tunability)을 가능하게 한다. 유기 태양 전지의 변환 효율은 무기 물질만큼 높지는 않지만, 유기 물질은 광 흡수 계수가 매우 높기 때문에 설계 엔지니어는 발전 성능을 떨어트리지 않으면서 더 얇은 소자를 제작할 수 있다. 또한 이 같은 화학 작용을 통해 폴리머는 인쇄 가능한 태양 전지로 처리되고 유기 태양 전지를 투명하게 만들 수 있어서 건물 내에서 창문을 비롯한 다양한 곳에서 활용될 수 있다.

많은 사람들은 이 방식의 작동 메커니즘이 무기 태양 전지와 거의 동일하다고 예상할 것이다. 하지만 화학적 구조나 내부 구조는 철저하게 다르다. 무기 태양 전지에서는 도펀트(반도체에 첨가하는 미세 불순물)가 무기물의 화학적 구조를 변화시켜 전자와 정공이 생성되도록 한 다음, 일부 정공과 전자가 이미 재결합한 공핍 영역(depletion region, P-N접합의 결과로 전자와 정공의 결합이 이루어져 캐리어가 소멸하고 부동 전하만 남아 있는 지역)에 의해 분리되면서 남은 전하의 분리가 이루어진다. 이렇게 분리된 전하 캐리어가 광자 흡수 하에 공핍 영역의 반대편으로 이동하면 전류가 흐르게 된다.

그러나 유기 태양 전지는 다르다. 유기 태양 전지는 전자와 정공을 생성하기 위해 도핑된 물질 대신 특정 공여체(donor)와 수용체(acceptor) 물질을 사용한다. 유기 분자는 빛의 광자를 흡수하여 전자와 그에 상응하는 정공인 여기자(exciton)를 생성한다. 빛의 흡수는 또한 여기자 내의 전자를 들뜨게 하고, 그 결과 전자는 가전자대에서 전도대로 이동하게 된다. 여기자는 공여체 물질과 수용체 물질 사이의 계면으로 이동하여 전자와 정공으로 분리된다. 이 같은 전하 분리는 전자와 정공이 전극으로 흐르기 때문에 전류가 흐르도록 한다.

염료감응 태양 전지(DSSC)

염료감응 태양 전지(Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)는 또 다른 종류의 새로운 박막 태양 전지로, 완전히 다른 메커니즘을 통해 태양광 방사에서 전류를 생성한다. 이는 반투명하고 반유연한(semi-flexible) 박막 태양 전지이다.

DSSC는 양극의 작용으로 에너지를 생성한다. DSSC의 양극은 반도체 필름으로 코팅된 후 이산화티타늄 층으로 코팅된다. 이어서 이산화티타늄 층에 결합된 감광성 염료(주로 루테늄 복합체)에 담긴다. 음극은 단순히 촉매 역할을 하는 백금 필름으로 코팅된 유리판이다. 두 전극 사이에는 전해질 용액이 있다.

‘염료감응’이라는 단어에서 유추할 수 있듯이, 양극에 위치한 염료가 전류 생성 메커니즘의 핵심이다. 빛이 DSSC를 비추면 염료가 들뜨게 되어 전자가 바닥 상태에서 들뜬 상태로 이동한다. 이 같은 고에너지 상태에서는 염료가 반도체의 밴드갭을 극복할 수 있게 하고, 염료는 산화하면서 전자가 반도체의 전도대로 방출된다. 이로 인해 반도체는 전도성을 띠게 되고 전류가 발생하게 되는 것이다. 전지의 전자 균형은 염료에 전자를 제공하는 전해질 분자에 의해 결정되며, 여기서 염료는 들뜨지 않은 전자 바닥 상태로 다시 변환된다. 전해액은 양극에서 환원 반응을 통해 정상적인 전자 상태로 재생된다.

퀀텀닷 태양 전지

퀀텀닷 태양 전지는 다른 박막 태양 전지만큼 널리 개발되지는 않았지만, 점점 더 관심이 집중되고 있다. 퀀텀닷은 크기가 수 나노미터에 불과한 0D 물질(전자가 세 방향 모두에서 양자적으로 제한됨)이다. 퀀텀닷의 크기와 양자 특성은 독특한 광학 흡수 및 방출 특성을 가지고 있음을 말해준다. 퀀텀닷을 사용하는 주된 이유는 밴드갭을 조정할 수 있기 때문이다. 퀀텀닷은 본질적으로 반도체이기 때문에 기존의 무기 반도체처럼 작용하지만 각각의 크기가 작기 때문에 본질적으로 다중 접합 태양 전지 역할을 한다.

밴드갭을 조정할 수 있다는 것은 전자기 스펙트럼의 다양한 파장에서 방사선을 흡수하도록 조정할 수 있음을 의미한다. 퀀텀닷 태양 전지는 지금은 다른 태양 전지보다 효율이 훨씬 낮지만 그 잠재력은 매우 크다. 퀀텀닷은 태양 전지에 사용되는 물질 중 흡수된 광자마다 하나 이상의 전자를 방출할 수 있는 유일한 물질이다. 이 밖의 모든 물질들은 1:1 비율 특성을 지닌다는 점을 감안하면, 퀀텀닷은 흡수된 광자마다 더 많은 전자를 방출함으로써 잠재적으로 변환 효율을 크게 높일 수 있다.

맺음말

태양 전지 중 가장 흔한 종류는 무기 태양 전지이지만, 지금까지 확인한 바와 같이 세상에는 다양한 유형의 태양 전지들이 존재한다. 많은 태양 전지들은 그다지 효율성이 좋지는 않지만, 다른 특성을 통해 부족한 효율을 보완한다. 무기 물질이 아닌 물질을 사용하는 큰 이유는 훨씬 얇고, 유연하고, 광학적으로 투명하며, 경우에 따라 인쇄가 가능하기 때문이다. 기존의 무기 태양 전지로는 사용할 수 없었던 창문이나 곡선 형태의 건축물과 같은 건물의 일부에도 다른 물질로 구성된 태양 전지를 구현할 수 있게 된 것이다. 이는 신재생 에너지 장치로서 태양 전지의 역량을 크게 증진시키며, 보다 다양한 태양 전지의 생산을 가능하도록 만든다. 그리고 그 밑바탕에는 언제나 다양한 물질의 화학 작용이 이를 뒷받침하고 있다. 

leekh@seminet.co.kr
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