Solar Cell

현대 생활을 영위하는 데 있어 에너지는 필수불가격한 요소로 앞으로도 그 수요는 더 증대될 수밖에 없다. 하지만 최근의 석유가 급상승, 화석연료 사용에 따른 기후 변화 등의 환경 문제 대두 등은 지금 우리가 사용하고 있는 석탄, 석유와 같은 화석연료와 차별화되는 환경친화적이면서도 영속적으로 공급해 줄 수 있는 에너지원의 출현을 갈망하고 있다. 이런 측면에서 태양에너지는 자연이 선사한 가장 이상적인 에너지원으로 떠오르고 있다.

1970년대 이후부터 세계 각국에서는 자연 에너지의 필요성을 절감하고 있는 상황이다. 고려되고 있는 대체에너지의 종류로는 풍력, 수력, 파력, 지열, 태양광 등이 거론되고 있지만 그 중에 가장 크게 관심을 두고 있는 에너지는 태양광을 사용하여 에너지를 생산하는 태양전지 분야이다. 태양전지의 사용은 1839년 프랑스의 물리학자 E. Becquerel가 전해질(eletrolyte) 속에 담긴 전극에 빛 조사 시 발생하는 광전효과(photovoltaic effect)를 처음으로 발견한 이후 관심을 가지기 시작하여, 1954년 D.M. Chapin과 Bell Telephone 연구소에서 5% 효율의 최초의 p-n 접합 실리콘 태양전지 개발을 시작으로 1958년 우주선 Vanguard I호의 전원공급용으로 최초로 실용화되기에 이르렀고, 태양전지는 차세대 에너지 자원으로 주목을 받게 되었다. 태양전지 동작원리는 빛 에너지를 흡수, 전하 캐리어(정공, 전자)를 생성, 분리, 수집하여 외부에 전기 에너지를 공급하는 것이다. 태양전지 내부에 서로 다른 극성을 가지는 n-형과 p-형을 접합하면 태양전지 내부에 생성된 전위차에 의해서 빛에 의해 생성된 전하가 분리되어 전극으로 수집됨으로써 전류를 흐르게 한다. 이것이 태양전지의 p-n 접합에 의한 태양광발전의 원리로서 광 흡수층의 재료에 따 라 일반적으로 그림 1과 같이 구분되어진다.

그림 1. 태양전지의 종류

  • 무기박막 태양전지
  • 현재 태양전지 시장의 주종은 결정질 실리콘 기판을 이용한 태양전지이다. 하지만 결정질 실리콘은 기판 소재 비용이 전체 가격대비 차지하는 비중이 높고 잉곳-웨이퍼-전지-모듈 등의 단속적이고 복잡한 공정을 거쳐야 하기 때문에 가격 저감에 있어서 한계가 있다. 또한 최근의 실리콘 원소재 가격 급등은 전체적인 태양광 발전 시스템의 발전단가에 부담이 되고 있다.
    이러한 문제를 극복하기 위하여 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이는 기술과 함께 박막형 태양전지가 대안으로 제시되고 있다. 박막 태양전지는 수 μm의 박막을 태양전지 광흡수층으로 이용함으로써 원소재 소모가 극히 적으며, 반도체 공정을 사용하기 때문에 연속공정이 가능하다. 또한 유리, 금속 등의 기판을 사용하게 되면 저가의 건물일체형 태양전지 모듈도 제조할 수 있다.
    무기박막 태양전지는 광흡수층 소재에 따라 실리콘 박막, 화합물 박막 태양전지로 구분되며, I-III-VI2 화합물인 Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 박막 태양전지와 II-VI족 화합물인 CdTe 태양전지가 화합물 박막 태양전지에 포함된다. 또한 CIGS, CdTe 모두 Se, Te 등의 VI족 원소를 사용하기 때문에 칼코지나이드계(Chalcogenide Photovoltaic material) 소재로 표현되기도 한다.

  1. 실리콘 박막 태양전지
    실리콘 박막 태양전지의 역사는 멀리 1969년 이전 시기로까지 올라가며 초기에 아몰포스(amorphous) 실리콘 박막을 스퍼터링(sputtering) 등의 방법으로 증착하는 것으로부터 시작된다. 실리콘 박막은 SiH4와 H2의 혼합 가스를 주입하고 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증 착하게 되며, 여러 주변 성막 조건이 고정된 하에서 H2 가스 분량이 총 가스에서 차지하는 양에 따라 그림 2에서 보는 바와 같이 크게 3종류의 박막이 증착될 수 있다.

    그림 2. 실리콘 박막의 분류

    여기서 아몰포스 상(Phase)은 전혀 결정을 포함하고 있지 않은 상태이며 원자들의 배열이 비방향성 결합 구조(random network)를 형성하고 있다.마이크로 결정(Micro)은 아몰포스와 결정상 모두가 구조 내에 존재하나 그 기본 형상의 크기가 20 nm 가량이 된다. 반면 폴리 결정(Poly)은 결정만으로 구성되어 있고 아몰포스 상은 포함되지 않은 구조를 가지고 있으며 그 기본 형상의 크기가 20 nm 이상인 것을 특징으로 한다. 연구자에 따라서는 아몰포스 상과 마이크로 결정상의 경계에 프로토(Proto) 상이 존재한다고 얘기하는데 이 상은 TEM(Tunneling Electron Microscopy) 분석으로 보면 소수 원자들의 결정들이 상호간에 비방향성 결정구조를 보여주면서 우수한 태양전지 특성을 갖는 상을 말한다.
    실리콘 박막 태양전지의 세대 분류는 그림 3에서 보는 바와 같이 크게 3가지로 나누어 볼 수 있다.

    그림3. 실리콘 박막 태양전지의 분류

    먼저 1세대는 단일 접합구조(Single Junction)로 아몰포스나 마이크로 실리콘 중 하나의 박막을 광 흡수층으로 하는 박막형 태양전지이다. 가장 단순한 구조이면서 제조원가가 매우 싸다는 장점이 있으나 안정화효율이 6~7%대로 그리 높지 않다. 여기서 특히 안정화 효율을 정의하는 이유는 아몰포스 박막이 광의 흡수에 따라서 열화되는 특성을 보여주기 때문이다. 열화특성은 박막의 증착 조건이나 사용된 장비의 사양 및 소자의 구조에 따라서 차이가 나겠지만 대략 초기 효율의 15~25% 가량 열화되는 특성을 보여주며 열처리에 따라서 원래 초기 효율이 회복되기도 한다. 다음으로 2세대형 실리콘 박막 태양전지의 구조는 아몰포스와 마이크로 실리콘 박막의 두 개 광흡수층을 갖는 이중접합(Tandem Cell or Double Junction Cell) 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는 효율이 9~11% 대로 상대적으로 높은 효율을 보여준다. 하지만 1세대 단일 접합에 비해서 효율의 증가정도가 크기 않고 공정은 2배 이상 복잡해지며 생산에 있어서의 효율성도 매우 떨어지는 단점을 갖고 있다.
    단일 접합 구조의 실리콘 박막 태양전지는 그림 4에서 보는바와 같이 빛이 들어오는 방향에서부터 유리기판, 투명전도체(TCO: Transparent Conducting Oxide), p 아몰포스, i 아몰포스(광흡수층), n 아몰포스, 광반사층(BR: Back Reflector) 및 금속 전극으로 구성되어 있다.

    그림4. Tandem Cell의 동작원리

    이러한 구조에서 광이 입사하여 광흡수층에 흡수되면 광전효과(Photo electric Effect)에 의해 전자 정공 쌍이 생성되고 p-i-n 접합 구조가 만들어 주는 전기장에 의해서 전자는 n층으로 정공은 p층으로 흐르게 된다. 이 러한 p-i-n 접합을 실리콘 박막 태양전지에서 특별히 적용하게 되는 이유는 실리콘 박막에서의 전자 정공 수명(life time)이 짧기 때문에 소자 구조를 통한 전기장으로 전류를 최대한흐를 수 있게 하기 위한 것이다. 투명전도체 층은 일반적으로입사한 광의 광경로를 증가시켜 주기 위해 수 마이크로미터 크기에 이르기까지 Texturing 구조를 가지고 있으며 하부 금속 전극을 입히기 전에 다시 투명 전도체를 이용하여 광반사층을 만들어서 입사한 빛이 최대한 광흡수층 내에서 가능한긴 경로를 가지고 움직이도록 광 포집 구조를 만들어 준다.이중접합 구조는 아몰포스 단일 접합 위에 마이크로 실리콘 박막을 이용한 p-i-n 접합을 추가하여 줌으로써 제작하게 되는데 기본적인 동작원리는 아몰포스에 의한 상부 접합 구조는 단파장 대의 빛을 흡수하고 마이크로 결정 실리콘 박막의 하부접합 구조에서 장파장 대 빛을 흡수하도록 설계된 소자이다. 이러한 광 흡수를 최대화하기 위한 구조는 상부 접합과 하부 접합이 광의 최적 분할 흡수를 하도록 각각의 광흡수층 밴드 갭을 최적화하여야 하며 직렬로 연결된 두 개의 다이오드가 최고효율로 동작하기 위해 전류 생성 양을 일치시켜 주는 작업이 필요하다. 이러한 최적화 작업을 하게 되면 이중접합 셀의 경우 아몰포스 실리콘 광흡수 층은 약 200 nm 가량이 되고 마이크로 결정 광흡수층은 1,000 ~ 2,000 nm 가량이 된다.

  2. CIGS 박막 태양전지
    CIGS를 광흡수층으로 하는 태양전지의 구조는 그림 5와 같다.

    그림 5. CIGS 박막 태양전지의 기본구조

    일반적으로 유리를 기판으로 5개의 단위 박막-배면전극, 광흡수층, buffer층, 앞면 투명전극, 반사방지막을 순차적으로 형성시켜 만든다. 단위 박막별로 다양한 종류의 재료와 조성, 또한 제조방법에서는 갖가지 물리적, 화학적 박막 제조방법이 사용될 수 있다. 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율이 감소하게 된다. 따라서 대면적 모듈의 경우는 그림 6과 같이 일정한 간격으로 직렬연결이 되도록 패터닝한다.

    그림 6. CIGS 박막 모듈의 구조

    기판의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되고 있다. 그 밖에 알루미나와 같은 세라믹 기판, 스테인리스 스틸, Cu tape같은 금속 기판, 폴리머 등도 사용이 가능하다. 유리 기판으로 소다회 유리(sodalime glass)를 사용한다. 미국 NREL이 기록한 19.9%의 변환효율도 소다회 유리를 기판으로 사용한 것이다. 소다회 유리 기판은 코닝 유리 기판에 비해 저렴하다는 장점으로 인해 공정온도의 한계(600 ℃)가 있음에도 불구하고 기판재료로 사용되었다. 하지만 소다회 유리에서 확산된 Na이 태양전지의 효율을 증가시킨다는 사실이 알려지게 되면서 최근에는 CIGS 태양전지에서 소다회 유리가 가장 널리 사용되고 있다. 소다회 유리에 존재하는 Na은 공정 중에 CIGS 광흡수층으로 확산되는데 박막의 전하농도를 증가시키거나 CIGS 단일 상의 영역을 증가시켜 조성변화에 따른 구조적인 특성변화를 줄여주는 역할을 한다고 보고되고 있다. 후면전극 물질로는 Sputtering법으로 증착된 Mo이 가장 광범위하게 사용된다. 이는 Mo이 가진 높은 전기전도도, CIGS와의 ohmic contact, Se 분위기 하에서의 고온 안정성 때문이다. Mo 박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하고 또한 열팽창계수의 차이로 인하여 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 점착성이 뛰어나야 한다.
    태양전지 효율에 있어서 가장 중요한 요소인 광흡수층의 경우, CIGS 박막은 다원화합물이기 때문에 제조공정이 매우 까다롭다. 물리적인 박막제조방법으로 진공증발법(evaporation), sputtering + selenization, 화학적인 방법으로는 electrodeposition등이 있다. 각 방법에 있어서도 출발물질(금속, 2원 화합물 등)의 종류에 따라 다양한 제조방법이 동원될 수 있다. 현재까지 가장 좋은 효율을 얻을 수 있었던 것은 evaporation 방법이며 출발물질로 4개의 금속원소 – Cu, In, Ga, Se – 를 사용한 것이다.

  • 유기박막 태양전지
  • 최근 들어 정보 전자산업의 급속한 발전과 함께 차세대 디스플레이로서 유연성(flexible) 디스플레이에 대한 관심이 증대하고 있다. 이 차세대 디스플레이는 마음대로 휘거나 접을수 있고 가벼우며 곡면으로 제작이 가능하여, 개인이 휴대하거나 차량으로 손쉽게 이동이 가능하며 주어진 환경에서의 설치나 철거가 용이하여 디스플레이로서의 영역을 크게 확장할 것으로 기대되고 있다. 그러나 이러한 편리한 디스플레이를 만들기 위해서는 가볍고 깨지지 않으며 값이 싼 재료들이 사용되어야 하는데 이런 목적에 가장 적합한 재료가 플라스틱과 같은 유기물 재료이다. 유기물이면서도 전기를 잘 통하는 전도성 고분자나 반도체 소자를 구현할 수 있는 유기 반도체 재료들이 최근 들어 큰 관심을 끌고 있는 것도 이런 이유에서이다. 이런 재료들은 앞서의 유연성 디스플레이를 위한 유기 발광소자와 유기 전계 트랜지스터를 위시하여, 유기 반도체 레이저, 유기박막 태양전지 등으로 그 활용성을 크게 확대해 나가고 있다.
    유기박막 태양전지의 기본구조는 그림 7과 같이 금속/유기반도체(광활성층)/금속(Metal-Semiconductor or Insulator-Metal, MIM) 구조로 간단히 표시할 수 있는데, 높은 일함수를 가진 투명 전극인 ITO(indium tin oxide)를 양극으로, 낮은 일함수를 가진 Al 이나 Ca 등을 음극 물질로 사용한다. 그리고 광활성층은 100nm 정도의 두께를 가진, 전자주게 물질(electron donor: D)과 전자받게 물질(electron acceptor: A)의 2층 구조(D/A bi-layer structure) 혹은 복합박막((D+A) blend) 구조를 이용하는데 (각각 그림 7의 (a) 및 (b)), 경우에 따라서는 전자의 두 도너-액셉터(donor-acceptor) 층 사이에 후자의 복합박막이 끼어 있는 혼합구조(D/(D+A)/A)를 이용하기도 한다. 또한 버퍼(buffer) 층으로 양극인 ITO 전극과 광활성층 사이에는 정공 이송층(hole transport layer)을, 음극과 광활성층 사이에는 전자 이송층(electron transport layer)을 끼워넣기도 한다.

    그림 7. 전형적인 유기박막 태양전지의 모식도; (a) bi-layer structure, (b) bulk-hetero junction structure

    한편, 광활성 층으로 사용되는 유기 반도체에는 유기 단분자와 고분자가 있는데, 유기 단분자의 경우는 진공에서 가열하여 도너 층과 액셉터 층을 연속으로 형성시키는 방법을 사용하고, 유기 고분자의 경우는 도너와 액셉터 물질이 함께 녹아있는 용액을 스핀 코팅(spin coating)법이나, 잉크젯 프린팅(ink-jetprinting)법, 또는 스크린 프린팅(screen printing)법 등과 같은 습식 공정을 이용하여 막을 형성시킨다.
    유기박막 태양전지에 광을 쬐어주면, 도너 물질에서 광을 흡수하여 여기 상태의 전자-정공 쌍(exciton)이 형성된다. 이 전자-정공 쌍은 임의 방향으로 확산하다가 액셉터 물질과의 계면(interface)을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 전자는 전자 친화도가 큰 액셉터 물질 쪽으로 이동하고 정공은 도너 쪽에 남아 각각의 전하 상태로 분리된다. 이들은 양쪽 전극의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 이 현상을 광기전력 효과 (photovoltaic effect)라고 하는데, 특히 BHJ(bulk-heterojunction) 구조는 바이-레이어(bi-layer) 구조에 비해 D/A 계면의 면적이 매우 커 전하 분리의 가능성이 더 큼을 알 수 있는데, 기존 무기계 태양전지(p-n접합구조)와는 뚜렷이 구별되는 유기박막 태양전지만의 독특한 구조이다.

  1. 단분자 유기박막 태양전지
    단분자 유기박막 태양전지는 활성층을 저분자 물질들의 순차적인 열증착을 통해 적층하는 방법인데, 초기에는 단분자/단분자 bi-layer 구조가 1986년 C.W. Tang의 발표 이후 초기에 가장 많이 시도되었다. 2005년에는 포레스트(Forrest) 그룹에서 도너 층과 액셉터 층 사이에 (D+A)의 혼합 계층을 도입한‘하이브리드 도너-액셉트 몰레큘러 헤테로정션’구조를 사용하여 4.4~5%의 에너지 전환효율을 얻었고, 2007년에는 홍콩의 리(Lee)그룹에서 엑시톤 블로킹 레이어로 BPhen(bathophenanthroline)을 사용하고, 도너와 액셉터층 사이에 도너와 액셉터가 흡수하는 영역 이외의 광을 흡수할 수 있으며 도너보다 일함수가 큰 HOMO 수준을 갖는 형광물질인 루벤 (5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene)을 도핑한 ITO/CuPc (10nm)/50%rubrene:CuPc (10nm)/50% rubrene:C60 (10nm)/C60(30nm)/BPhen (5nm)/Al 구조의 소자를 사용하여 Jsc와 Voc를 동시에 향상시켜 5.58%의 효율을 달성한 것을 보고하고 있다.
  2. 고분자 유기박막 태양전지
    단분자 유기박막 태양전지의 경우는 단분자 물질인 도너와 액셉터를 차례로 열 증착하는데 반하여, 고분자 유기박막 태양전지는 도너와 액셉터의 최소한 한쪽을 고분자를 사용하고 용매공정을 통하여 광활성층을 도입할 수 있어 대면적화와 비용적인 측면에서 장점을 가진다. 이때 활성층은 도너와 액셉터가 섞여있는‘BHJ(bulk D/A hetero-junction)’구조가 되는 것이 일반적이다. 그림3은 고분자태양전지의 작동원리를 나타낸 것이다.

    그림 8. 고분자 유기박막 태양전지의 작동원리

  • 염료감음형 태양전지
  • 박막을 이용한 태양전지 개발은 많은 진전이 있었으며 실용화를 위해서 많은 연구가 계속되고 있다. 반면에 나노구조 소재를 이용한 태양전지 연구는 기초연구단계로서 광-전기 변환효율이 매우 떨어진다. 하지만 진공용기에서 고온 증착을 하는 기존 태양전지에 비해서 적은 비용과 적은 에너지를 소모한다. 전세계에서연간 사용되는 에너지는 20 TW (20 × 1012 watt)로 추산된다. 소비되는 모든 에너지를 10% 효율의 태양전지로 대체하려 한다면 대략 남한면적의 4배 이상의 면적이 필요하다. 진공 및 CVD를 기반으로 하는 기존 태양전지 생산 기술로는 석유고갈이 예상되는 수십 년 내에 이러한 면적을 대체하기가 어려울 것으로 예측하고 있다. 이러한 점을 감안할 때 태양전지의 효율 뿐만 아니라 생산성 까지 고려한 새로운 개념의 태양전지 개발이 필요하다.
    태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 태양전지, 유기물질을 포함하고 있는 유기 태양전지(유기 태양전지는 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cell)와 유기분자접합형(organic D-A)태양전지 포함)로 나눌 수 있다. 태양전지를 구성하는 물질에 따른 분류 외에 태양전지 구조에 따른 분류를 할 수 있는데, 이 경우 태양전지는 크게 3가지로 분류될 수 있다: 웨이퍼구조(벌크 실리콘 태양전지), 박막구조(화합물 태양전지, 유기폴리머 태양전지 등). 광전기화학구조(염료감응 태양전지). 그림 9에 다양한 태양전지의 구조를 나타내었다. 특히 염료감응 태양전지는 나노소재를 이용하여 극대화된 표면적을갖는 필름의 표면에 광흡수층인 유기염료를 흡착하는 기술을 이용하고 있다.

    그림 9. P-N접합 태양전지와 염료감응 태양전지 구조 비교

    1991년 스위스 EPFL의 Grätzel 교수 연구그룹에서 보고한 염료감응 나노입자 산화물 광전기화학 태양전지는 에너지 변환 효율이 비정질 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 변환 효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인하여 연구계 및 산업계의 비상한 관심을 모으고 있다.
    그림 10은 염료감응 태양전지의 구조와 작동 원리를 보여주고 있다. 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n-형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 홀은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원되어 염료감응 태양전지 작동과정이 완성된다.

    그림 10. 염료감응 태양전지 광전자의 전달과정과 구성 요소간 에너지 준위

    그림 11에서 표시한 바와 같이 투명한 상부전극을 통과한 빛은 dye에 흡수된다. 빛에 의해 여기된 dye는 전자를 방출하고 cation이 된다.

    그림 11. Nanocrystalline TiO2 DSSC의 구조

    방출된 전자는 TiO2 nanocrystal network을 따라서 상부전극으로 이동하여서 외부로 전류를 공급하게 된다. 한편 cation으로 바뀐 dye는 I-와 반응해서 환원되어 I3-가 생성된다. 태양전지 외부에서 에너지를 전달한 전자는 counter 전극에 도착해서 I3- 를 다시 환원시켜서 I-를 생성한다. 다음은 DSSC 구성요소에 대한 자세한 설명이다.
    - Transparent Conducting Oxide

    DSSC 최상부는 transparent conducting oxide (TCO)가 coating된 glass로 이루어져 있다. 높은 효율을 얻기 위해서는 낮은 면저항과 높은 투과도를 가져야 하며 일반적으로 TiO2 전극의 sintering 처리 온도인 500℃ 까지 안정해야 한다. Indium-tin oxide (ITO)가 대표적인 TCO라 할 수 있다.
    - TiO
    2 전극
    TCO 하부에는 nanocrystalline 구조의 TiO2 전극이 있다. TiO2 전극의 장점은 화학적 안정성과 넓은 표면적이다. 일반적으로 Si, GaAs, InP, CdS 등의 반도체 물질을 용액상로 태양광에 장시간 노출시키면 photocorrosion에 의해서 분해된다. 하지만 TiO2와 같은 금속산화물 반도체는 이러한 조건에서 안정성이 뛰어나다. 이러한 안정성으로 인해서 TiO2외에도 SnO2, ZnO 등과 같은 많은 금속산화물이 태양전지의 전극으로 사용된다. TiO2 전극은 TiO2 colloid 용액을 TCO 표면에 coating한 후 500℃ 부근에서 가열해서 얻게 된다. 열처리 과정을 통해서 10 ~ 30 nm 크기의 TiO2 입자가 형성되며 nanoporous 구조가 얻어진다. 이러한 nanoporous 구조는 두께 10 ㎛, 면적 1 cm2 인 TiO2 박막의 경우 실제 표면적을 1000 cm2 까지 증가시킬 수 있으므로 단결정과 같이 표면적이 작은 전극에 비해서 많은 양의 photosensitizing dye를 흡착시킬 수 있다.
    - Photosensitizing Dye

    태양광의 대부분을 차지하는 가시광 (400 ~ 800 nm)에 대한 흡수능력이 뛰어난 photosensitizing dye는 대부분은 Ru complex들이다. 그림2와 같은 분자 구조를 가지며 가시광 흡수는 중심금속인 Ru에서 ligand로의 전하 전이에 의한 것으로 알려져 있다.
    - Redox Electrolyte

    DSSC에 사용되는 electrolyte는 I-/I3- redox ion으로 구성되어 있으며 TiO2 전극과 counter 전극 사이에서 전자를 전달하는 역할을 한다. 실제 구성은 LiI, NaI, KI 등이 I2와 함께 acetonitrile 등과 같은 nonprotonic solvent에 녹아있는 용액이다. 태양전지의 성능은 counter cation (Li+, Na+, K+)에 영향을 받는데 이는 counter cation의 확산속도, TiO2 표면 흡착 능력 때문인 것으로 알려져 있다.
    - Counter
    전극(Dye cation)
    (I- anion)간의 환원-산화 반응에 의해서 형성된 I3- 는counter 전극에서 다시 I- 로 환원된다. 따라서 counter 전극은 활성이 뛰어나야 한다. 이를 위해서 Pt가 coating 된 TCO이나 carbon 전극을 사용한다.

    그림 12. 다양한 염료를 이용한 염료감응 태양전지

  • 양자점 태양전지
  • 나노 테크놀로지는 인류의 미래 생활에 도움을 줄 수 있는 기술로서 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 나노 물질은 크기 및 형상에 따라 벌크 물질과는 다른 특성을 갖는 0차원, 1차원, 2차원 등의 저차원 구조로 분류되는데, 0차원 구조인 양자점(Quantum dot)은 LED(Light emitting device)의 발광 재료로 많은 주목을 받아 왔다. 발광에 기여하는 엑시톤의 크기가 보어 반경 이하에서 나타나는 양자 제한 효과에 의해 양자점은 크기가 감소함에 따라 에너지 밴드갭이 커져 원래보다 작은 파장의 빛을 낼 수 있고, 균일한 크기를 가져 색순도가 좋은 특성을 가지고 있어서 CdSe나 CdS와 같은 화합물 반도체 양자점은 상업화까지 진전되었다. 이러한 양자점은 높은 광변환 효율을 갖는 차세대 태양 전지에도 응용 가능함이 알려졌고, 2000년대 초반 미국 National Renewable Energy Laboratory의 A. J. Nozik 박사에 의해 본격적으로 제안되었다. 기존의 실리콘 기반 태양 전지는 Shockley와 Queisser에 의해 최대 에너지 변환 효율이 31%라고 알려졌고 이 변환 효율을 극복하기 위해 태양 빛의 흡수 대역을 극대화하기 위한 tandem 구조와 같은 방법들이 제시되었다. 하지만 각각의 흡수 에너지 대역이 높은 재료를 순서대로 적층시켜 하층부까지 태양광이 흡수할 수 있도록 만드는 적층형 태양 전지 소자는 구조 구현의 어려움으로 인해 아직까지 높은 효율을 얻지 못하고 있다. 에너지 밴드갭보다 큰 광에너지가 물질에 입사되면 전자가 낮은 에너지 상태인 가전자대에서 높은 에너지 상태인 전도대로 올라가며 광에너지와 밴드갭의 차이만큼 역학적 에너지가 발생한다. 이 여분의 역학적 에너지는 전자와 정공과 같은 운반자들의 유효 온도가 올라간 효과를 가져 이런 운반자들을 hot electron과 hot hole이라고 부른다. 에너지가 높은 전자와 정공은 포논과의 상호 작용에 의해 가지고 있던 에너지를 잃고 격자의 온도를 높이며, 전도대의 낮은 에너지 상태로 떨어져 에너지의 손실이 발생하게 된다. 여기광에 의해 생성된 hot carrier들을 효율적으로 태양 전지에 이용하기 위해서 두 가지 방법이 제안되었다. 한가지는 광전압을 높이는 방법이고 다른 하나는 광전류를 많이 얻는 것이다. 높은 광전압을 얻기 위해서는 hot carrier들이 밴드 에지로 냉각(cooling)되기 전에 재빨리 추출해야 하는데 가까이 존재하는 양자점들의 에너지 레벨의 중첩에 의해 생성된 미니 밴드를 이용해 운반자들을 효율적으로 분리하고 전달시킨다. 또한 높은 광전류를 얻는 방법으로 아래 그림과 같이 에너지가 높은 hot carrier들이 충돌 이온화(Impact ionization)로 불리는 현상에 의해 다른 전자나 정공들을 많이 생성시키는 것이다. 즉 높은 광에너지를 흡수하여 여기된 전자와 정공이 낮은 에너지 상태로 천이하면서 1개의 전자-정공쌍을 만드는데, 이때 낮은 에너지 상태로 천이되면서 발생된 에너지를 가전자대의 전자가 흡수하여 다시 전자-정공쌍을 만들어 2개 혹은 여러 개의 전자-정공쌍을 생성하는 메커니즘으로 MEG(Multiple-exciton generation)라고 한다. 즉, MEG는 태양전지에서 열로 손실되는 에너지의 일부를 다시 전기로 변환해 발전 효율을 높이는 방법으로 사용될 수 있다. 이것은 높은 에너지 상태의 전자나 정공이 냉각률(cooling rate)가 작아 빠르게 낮은 에너지 상태로 천이되지 않아야 효과적이다. 냉각률은 운반자의 유효질량과 관계가 있으므로 정공이 전자보다 크고, 양자점의 크기가 작아질수록 커진다.

    그림 13. (a) 이온 충돌화에 의해 광전 변환효율이 증가된 양자점 태양전지의 원리, (b)PbSe 양자점 Shottky 태양전지 구조

    이러한 다중 엑시톤 생성은 물질의 에너지 밴드갭의 2배 이상의 광 에너지가 입사했을 때 가능하며 3배 이상이 입사되었을 경우 내부 양자 효율이 100%가 넘는다고 보고되었다. 최근에 실험적으로 구현된 결과로, 화학적으로 처리된 7.4nm 크기의 PbSe 양자점 박막 밴드갭의 5배까지 광 에너지를 이용할 수 있었다. 양자점에서 충돌 이온화 메커니즘 현상을 이용한 태양 전지의 광전 변환 효율은 열역학적 이론치인 66% 이상으로 예견되고 있으며, PbSe나 PbS 양자점을 이용한 결과가 최근 여러 연구 그룹에서 얻어지고 있다. 양자점 태양 전지는 양자점 어레이 외에도, 그림과 같이 다른 밴드갭을 가지는 TiO2 나노 입자와 양자점의 복합 구조, 전자나 정공의 전도가 가능한 폴리머에 양자점이 분산된 구조가 시도되었고 이러한 소자들은 충돌 이온화에 의한 높은 광전 변환 효율을 가진 태양 전지 구조의 예가 된다.

    그림 14. (a) 광에너지 입사에 의해 다른 크기를 갖는 CdSe 양자점에서 생성된 전자가 TiO2 나노입자로 이동되는 원리도, (b) 양자점의 크기에 따라 에너지 레벨이 변화되고 나노입자로 주입되는 전하의 에너지도 변화가 가능함을 보여주는 도식도