제조원가 실리콘계의 몇 분의 1 차세대 태양광 발전의 주류로서 색소로 빛을 흡수하여, 전기에너지로서 이용하는 색소증감형 태양전지의 인기가 급상승하고 있다. 제조 시의 진공공정이 불필요하기 때문에 제조원가는 실리콘계의 몇 분의 1. 현재의 업무용 전력과 비슷한 요금을 2020년 무렵 달성할 수 있을 것이라는 시산도 나와 있어 새로운 발전 패널로의 응용을 목표로 하고 있다. 또 가볍고 투명한 플라스틱 필름에 의한 발전도 생각되고 있다. 창유리나 벽에 부착하거나 휴대전화 충전기에 이용하는 등 전혀 새로운 시장의 꿈이 펼쳐지고 있다. 에너지 변환효율 15%가 목표 원가의 벽 실리콘계 주택용 태양전지는 도입비용을 전기료 절약으로 회수하는데 장시간이 걸려 지금까지의 보급은 국가의 보조금에 의존하는 부분이 적지 않다. 실리콘계는 고진공 하에서 제조하기 때문에 대폭적인 스피드업과 제조 원가절감이 원리적으로 어려운 데다가 재료 원가도 만만치 않다. 經濟産業省에서는 태양광 발전에 의한 전력요금을 20년에는 현재의 업무용과 동등한 1킬로와트당 15엔으로까지 낮추어 본격적으로 보급시킬 계획을 세우고 있다. “앞으로는 여러 가지 타입의 태양전지가 병존할 것인데, 지금은 그 브레이크 스루를 모색하고 있는 단계”라고 신에너지 산업기술종합개발기구(NEDO) 태양기술개발실의 新谷復夫 주임연구전문원은 말한다. 이들을 뛰어넘는 차세대 태양전지로서 카본계와 철 실리사이드도 검토되고 있는데, 그 선두에 선 것이 색소증감형이다. 실리콘급으로 현재 색소증감형 태양전지 연구실에서 시작되고 있는 에너지(광전)변환효율(조사광의 에너지가 전력으로 바뀌는 비율)은 아모르파스 실리콘급인 8% 정도이다. 산업기술종합연구소는 住友大阪 시멘트, 古河기계금속, 林原생물화학연구소, 샤프와 NEDO를 통해 프로젝트를 추진중. 産總硏의 荒川裕則 광반응제어연구센터장은 “효율 15%가 달성되면 1킬로와트당 10~15엔은 가능하다”고 하며, 03년도의 프로젝트 종료 시까지 11%를 내도록 정하고 있다. 만든 전기의 이용법 가운데 매력적인 것은 물의 전기분해로 수소를 만든다는 것. 낮은 원가에 환경을 파괴하는 일 없이 수소를 얻을 수 있다. 수소를 현재 천연가스나 석유 등 화학에너지로부터 이산화탄소(CO2)를 방출하면서 제조하고 있는데, 그 딜레마가 해결된다는 것이다. 태양광 이용은 조사가 강한 시간이 제현된다는 문제가 있지만 물을 분해하여 수소의 형태로 모아 두면 쓰기 편하다. 또한 얻어진 수소는 CO2와 반응시켜 접촉수소화로 에틸렌이나 알코올 등 종래의 석유화학계 원료와 연계시켜 나갈 수 있다. 어쩌면 색소형 태양전지는 CO2 삭감과 화학원료의 탈석유를 뒷받침하는 최고의 기술로서 위치를 차지할 수 있을지도 모른다. 색소증감형 태양전지의 원리는 ①입사광을 색소가 흡수하여 여기상태가 되어 전하분리를 일으킨다. ②색소로부터의 마이너스 전하(전자)가 산화물 반도체(산화티탄)에 주입된다 ③전자가 도전성 유리로부터 외부 회로를 이동하여 전류가 흐른다 ④대극에서 전자는 전해용액으로 건네지고, 전해질과 색소의 산화환원반응으로 원래로 돌아간다는 것이다. 제작법은 우선 산화티탄 미립자 페이스트를 도전성 투명유리 기판에 바르고 450℃에서 소성. 색소용액에 침적하여 흡착시키고, 전해용액을 주입, 금 증착유리 등 대극으로 끼우면 간단하게 만들 수 있다. 대기압 속에서의 순차 작업으로 가능하며 재료도 일반적인 것뿐이다. 색소증감형 태양전지가 주목된 것은 91년의 일. 스위스 로잔느 공과대학의 그레첼 교수의 발표에 의한 것으로 그레첼형 태양전지라고도 불리고 있다. 가시광을 폭넓게 흡수하는 루테늄 색소와 반도체의 표면적이 큰 다공질 산화티탄이 포인트였다. 그 후, 세계적으로 출시되었는데, 효율은 실험조건에 의존하기 때문에 한 마디로 말할 수 없지만 정말로 쓸 수 있을만한 기술이라는 인식이 높아져 지난 2, 3년간 기업의 연구개발도 상당히 증가했다 실리콘계에서 사업을 전개하는 태양전지 메이커 등의 움직임은 겉으로 드러나지는 않았지만, 학회발표나 특허출원에서는 상당히 많은 이름이 거론되고 있다. 전기, 전지 메이커인 샤프, 東芝, 日立마크셀이나 색소에 강한 富士사진필름, 關西페인트, 산화티탄이 자랑거리인 昭和電工, 또 新日本석유 등 참여하고 있는 기업은 30여개나 된다고 한다. 기업의 연구개발 가속 30개사 이상이 참여 저변이 넓은 화학계 실리콘계는 결정성장이나 증착 등 물리, 전기계 기술이 중심인데 비해, 색소증감형은 화학계. 무기의 산화물 반도체막, 유기색소, 전해용액, 제조법 등 만은 요소기술의 집적이므로 기초연구자나 메이커나 기반이 넓다는 특징이 있다. 필름화하여 용도개발 양산으로 가격 다운 가능 생활밀착형으로 가볍고 투명하고 컬러플하며 플렉시블한 태양전지 필름을 소개하는 샘플집을 넘기며 새 집의 창이나 벽, 롤커튼과 브라인드 장식을 생각한다. 마당의 비닐하우스에서는 광투과와 흡수, 발전을 반반으로 컨트롤하여 환기용 팬이나 살수 펌프를 가동시킨다. 외출 시에는 컴퓨터나 휴대전화와 함께 충전용 시트를 가방에 셋트하는 태양전지가 머지 않은 장래에 가능해질지도 모른다. 이때 기대되고 있는 것인 색소증감형 태양전지인 플라스틱 필름화다. 산화티탄 입자의 생성에 정전력을 사용하여 고온처리공정을 생략함으로써 플라스틱 기판을 사용할 수 있게 한 桐蔭橫浜대학 공학연구과의 宮阪 力(츠토무) 교수는 “실리콘과 경합하지 않는 전혀 새로운 사용법을 제안할 것이다”라고 강조한다. 창유리용은 실리콘계에서도 노리고 있는 분야인데, 현재의 개발품은 가는 구멍을 뚫어 그 틈새를 통해서 밖이 보이는 정도이므로 플라스틱 필름쪽이 리드하고 있다. 벤처에 기대 이러한 생활밀착형의 유희적인 사용법이라면 실용화는 머지 않았다고 보여진다. 소비전력이 적고 아모르파스 실리콘의 태양전지가 사용되는 시계나 라디오, 전자계산기라면 현재의 효율로도 문제없다. 남쪽의 여러 나라라면 컬러플한 열대꽃의 색소를 이용하여 리조트에서 솔라 파라솔이나 시트를 펼쳐서 발전, 팬을 돌리기도 하고 발전의 인프라 스트럭처가 정비되어 있지 않은 개발도상국에서는 관개용수의 펌프나 조명을 이용하는 등의 요구에도 응할 수 있을 것이다. 靜岡대학 공학부의 昆野昭則 조교수는 “대기업은 시장이 큰 건물용 태양전지를 목표로 해야 한다.” 그러나 “니치용도로 벤처 등이 실용화를 추진해 준다면 생각지 못했던 사용처가 나올지도 모른다”고 기대한다. 또 유리기판이 아니라 플라스틱 필름이라면 인쇄기술 등을 활용, 롤식 대량생산이 가능하기(荒川 産總연구센터장) 때문에 원가면에서도 실용화를 리드하게 될지도 모른다. 전해액 고체화가 과제 안전성, 내구성을 향상 옥외 발전에 필요 효율에 이은 커다란 과제는 전극 사이에 끼운 전해액을 고체화하는 일이다. 목표의 하나는 옥외 발전용에서 필요한 내구성 향상에 있다. 여름 한낮에는 90℃가 되는 일도 있다고 하는 가운데 10년 정도는 유지시키고자 하는 것이 바램인데, 현재의 전극 사이에 전해액을 봉지하는 방법으로는 용액이 서서히 증발해 버리므로 이것을 막을 필요가 있다. 한편, 플라스틱 필름의 경우는 싸고 가볍기 때문에 교환도 간단, 내구성은 필요치 않다. 그러나 생활공간에서 사용하는 것인 만큼 고체화에 의해 안전성을 확보하고자 하는 것이다. 유기용매인 전해액의 경우는 파손 시의 액체 누출이나 인화의 우려가 있기 때문이다. 靜岡대학의 昆野 조교수, 富士사진필름 등의 그룹은 전해액을 대신할 p형 반도체의 요오드화 구리 결정을 사용한 것을 개발했다. 東京대학 공학계 연구과의 藤嶋昭 교수도 p형 반도체적인 성질을 가진 폴리티오펜 등 유기 폴리머에 주목한 고정화에 매진하고 있다. 대면적화도 테마 또 옥외 발전용에 필요한 대면적화도 앞으로의 테마이다. 왜냐하면 큰 셀을 만들려고 하면 내부 저항이 커지고 발전효율이 떨어져 버리기 때문이다. 효율을 중시하는 연구실 레벨에서는 사방 몇 밀리미터의 전지를 만드는 일도 어렵지 않다. 그러나 외국에서는 사방 수 십 센티미터의 것을 늘어놓고 디바이스화하려는 시도도 나오고 있다. 진공 하에서 제조하지 않아도 된다는 점에서 대면적화의 잠재적인 가능성은 높다. 효율이나 고체화의 기반기술개발의 한편 이러한 시스템화의 기술과제에도 노력해 나갈 필요가 있을 듯 하다. (NK)