염료감응형 태양전지에서 페로브스카이트 태양전지까지, 무엇이 달라졌나?

한때 주목받았던 DSSC와 차세대 페로브스카이트 태양전지의 차이

태양전지라고 하면 대부분 실리콘 태양전지를 생각하지만, 1990년대 이후 차세대 태양전지로 크게 주목받았던 기술이 염료감응형 태양전지(DSSC, Dye-Sensitized Solar Cell)​입니다. 최근에는 그 자리를 페로브스카이트 태양전지(PSC, Perovskite Solar Cell)​가 이어받고 있습니다. 흥미로운 점은 두 기술이 완전히 별개의 기술이라기보다 연구 역사상 상당한 연관성을 가지고 있다는 것입니다.

1. 염료감응형 태양전지란?

염료감응형 태양전지는 1991년 스위스 로잔연방공대(EPFL)의 Michael Grätzel 연구진이 고효율 소자를 발표하면서 본격적으로 알려졌습니다.

대표적인 구조는 다음과 같습니다.

유리/FTO → 다공성 TiO₂ → 염료 → 전해질 → 상대전극

핵심은 염료(Dye)​입니다.

태양광이 염료에 도달하면 염료의 전자가 여기되고, 이 전자가 TiO₂로 전달되어 외부회로를 흐릅니다. 산화된 염료는 전해질의 산화·환원 반응을 통해 다시 원래 상태로 돌아갑니다.

즉,

빛 흡수 = 염료

전자 전달 = TiO₂

염료 재생 = 전해질

처럼 역할이 비교적 명확하게 분담되어 있습니다.

DSSC는 투명하거나 다양한 색상을 구현할 수 있고 확산광이나 실내조명에서도 작동할 수 있다는 특징 때문에 건물일체형 태양광(BIPV), 창호 및 실내용 에너지 소자로 관심을 받았습니다.

하지만 액체 전해질의 누액, 밀봉, 장기 안정성과 효율 등의 문제가 대규모 발전용 시장 확대에 장애가 되었습니다.

2. 페로브스카이트 태양전지는 무엇이 다른가?

페로브스카이트 태양전지에서는 일반적으로 금속-할라이드 페로브스카이트가 빛을 흡수하는 핵심 반도체로 사용됩니다.

대표적인 결정구조는

ABX₃

로 나타냅니다.

A에는 유기 또는 무기 양이온, B에는 Pb·Sn 등의 금속, X에는 I·Br·Cl 등의 할로겐 원소가 들어갈 수 있습니다.

DSSC와 가장 큰 차이는 페로브스카이트가 단순히 빛을 흡수하는 물질에 머물지 않는다는 것입니다.

페로브스카이트는 광흡수와 전하 생성·수송에 관여하는 반도체층으로 기능할 수 있습니다.

따라서 현대의 페로브스카이트 태양전지는 DSSC와 달리 액체 전해질 없이 전자수송층(ETL)과 정공수송층(HTL)을 이용하는 고체 박막 태양전지 구조가 일반적입니다.

3. 두 기술을 비교하면

구분	염료감응형 태양전지(DSSC)	페로브스카이트 태양전지(PSC)
핵심 광흡수재	유기·금속착체 염료	페로브스카이트 반도체
대표 구조	TiO₂+염료+전해질	페로브스카이트+전자/정공수송층
전해질	액체계가 전통적	일반적으로 고체형
전하수송	여러 소재가 역할 분담	페로브스카이트 자체도 전하수송에 기여
장점	투명·색상 구현, 확산광 특성	높은 효율, 박막화, 탠덤화
주요 문제	전해질 누액·밀봉·내구성	수분·열·광 안정성, Pb 관리
주요 응용	실내·BIPV·특수용도	고효율 발전·BIPV·탠덤

4. 그런데 두 기술은 역사적으로 연결되어 있다

여기가 매우 흥미로운 부분입니다.

초기의 페로브스카이트 태양전지는 현재와 같은 완전한 박막구조에서 갑자기 등장한 것이 아닙니다.

2009년 일본의 미야사카 츠토무(Tsutomu Miyasaka) 연구진​은 염료감응형 태양전지와 유사한 구조에서 기존 염료 대신 할라이드 페로브스카이트를 광흡수재로 사용한 연구를 발표했습니다.

초기 효율은 약 3.8% 수준이었습니다.

당시에는 액체 전해질을 사용했기 때문에 페로브스카이트가 쉽게 열화되는 문제가 있었습니다.

이후 액체 전해질을 고체 정공수송재료로 바꾸면서 안정성과 효율이 크게 개선되었고, 페로브스카이트가 단순한 '감광재'가 아니라 우수한 반도체라는 사실이 밝혀지면서 독립적인 태양전지 기술로 발전했습니다.

따라서 기술 발전사를 단순화하면 다음과 같이 이해할 수 있습니다.

염료감응형 태양전지(DSSC)
↓
염료 대신 페로브스카이트 사용
↓
액체 전해질 제거
↓
고체형 페로브스카이트 태양전지(PSC)
↓
고효율 페로브스카이트 박막전지
↓
페로브스카이트-실리콘 탠덤전지

즉, DSSC 연구가 페로브스카이트 태양전지 탄생에 중요한 기술적 토대를 제공했다고 볼 수 있습니다.

5. 왜 페로브스카이트의 효율이 빠르게 높아졌을까?

DSSC에서는 염료가 주로 빛을 흡수하고 TiO₂와 전해질 등이 전자와 이온 전달을 담당합니다.

반면 페로브스카이트는 높은 광흡수계수와 우수한 전하수송 특성을 갖기 때문에 얇은 박막에서도 효과적인 태양전지 구현이 가능합니다.

또한 조성 변화에 따라 밴드갭을 조절할 수 있어 실리콘 태양전지와 결합하기 좋습니다.

이 때문에 현재 가장 주목받는 분야가 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지입니다.

상부의 페로브스카이트가 짧은 파장 영역을 흡수하고, 하부의 실리콘이 나머지 빛을 흡수하도록 설계하여 단일 실리콘 태양전지보다 높은 효율을 추구합니다.

6. 재활용 산업에서도 차이가 있다

두 태양전지는 폐기 단계에서도 문제가 다릅니다.

DSSC에서는 유리, TiO₂, 염료, 전해질, Pt계 상대전극 등의 분리와 회수가 문제가 될 수 있습니다.

페로브스카이트 태양전지는 Pb, Sn, I, Br 및 전극재료 등의 회수와 환경관리가 중요해질 가능성이 있습니다.

특히 Pb계 페로브스카이트가 대량 상용화될 경우 폐모듈을 단순 파쇄하여 처리하기보다는 납의 유출을 방지하면서 선택적으로 회수하는 공정이 필요합니다.

이는 향후 도시광산 및 태양광 리사이클링 산업에서 새로운 연구분야가 될 수 있습니다.

결론

염료감응형 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 서로 경쟁했던 완전히 독립적인 기술이라기보다 기술적으로 연결된 발전 과정으로 보는 것이 흥미롭습니다.

DSSC가 '염료가 빛을 받아 전자를 전달하는 태양전지'였다면, 페로브스카이트 태양전지는 '광흡수재 자체가 우수한 반도체가 된 태양전지'라고 간단히 설명할 수 있습니다.

그리고 현재 페로브스카이트 기술은 다시 실리콘과 결합하여 탠덤 태양전지로 발전하고 있습니다.

결국 태양전지의 발전사는

실리콘 → DSSC 등 차세대 박막 연구 → 페로브스카이트 → 페로브스카이트·실리콘 탠덤

이라는 단순한 교체 과정이 아니라, 서로 다른 기술의 장점을 결합하면서 발전해 온 과정이라고 볼 수 있습니다.