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기성 염료를 이용한 태양 전지의 효율성 개선
대부분의 기술들과 마찬가지로 태양 에너지 장치에 대한 연구는 세대를 아우르는 파랑을 일으키고 있다. 1세대 실리콘을 기반으로 하는 태양 전지는 컴퓨터 칩을 제조하는 데 이용되는 기술들이 적용되어 구축됐다. 2세대 태양 전지는 태양 에너지를 수확하기 위하여 특별히 제작된 박막 재료의 이용이 연구됐지만, 어느 정도는 마이크로 전자공학의 제조 분야에서 채용된 기술을 적용하고 있다. 이후 3세대 태양 전지는 저렴한 차세대 태양 전지를 표방하고 있으며, 저급의 습식 화학(wet chemistry)에 의존하고 있다.
인도 샤다 대학(Sharda University) 소속의 Ram Mehra를 주축으로 하는 연구진이 Renewable and Sustainable Energy에 발표한 새로운 논문은 식품 및 의료 산업에 일반적으로 이용되고 있는 다양한 기성 염료의 혼합물을 이용하여 가시광의 흡수를 증가시키는 단순한 방법을 이용하여 산화아연 태양 전지(zinc oxide solar cell)의 수행력을 개선할 수 있다고 제안했다.
이 연구는 델리 대학 연구진과 공동으로 수행됐으며, 다양한 염료에 태양 전지를 담근 후 건조하는 공정을 이용하여 수행됐다. 연구진은 산화아연 전극에 흡착된 염료의 흡수 스펙트럼(absorption spectra)을 비교하여, 염료 혼합물이 개별적인 염료와 비교했을 때 전체 가시광으로부터 일광을 보다 더 효율적으로 흡수할 수 있다는 사실을 보여 주었다. 동 연구는 다섯 종류의 개별 염료와 한 가지 염료 혼합물을 이용하여 제작된 6종류의 DSSCs를 구축하여 수행됐다.
DSSCs는 몇 개의 다른 재료 층으로 구성되어 있다. 전도성 투명 전극, 조밀층(compact layer), 염료를 흡수하는 다공성 나노 결정 구조인 TiO2/ZnO, 정공 수송층(hole transport laye), Pt 상대전극(counterelectrode) 등으로 이루어진다. 각 구성 원소들은 DSSC의 복잡한 메커니즘에서 고유의 업무를 수행하며 태양 전지의 전반적인 효율성에 기여한다.
나노입자 박막은 일광을 수확하기 위하여 큰 내부 표면적을 제공한다. DSSC가 운영되는 동안 염료 단일막에 의해 방해를 받은 광자(photon)는 여기 상태를 만들어내고 나노입자 표면에서 신속하게 분배되어 전자는 나노입자 박막으로 주입되고, 액체 또는 고체 상태의 전해질에서 산화환원종의 수단으로 정공이 장치의 반대쪽에 남아 있게 된다.
유기 염료는 DSSCs를 위한 광감작기(photosensitizer)로서 몇 가지 이득을 지니고 있다. 첫째, 금속 복합체 감작기보다 더 큰 흡수 계수를 제공한다. 둘째, 다양한 구조는 치환체의 도입을 가능하게 하여 흡수 스펙트럼의 제어를 용이하게 해준다. 셋째, 루테늄 같은 귀금속을 함유하지 않기 때문에 저렴하다. 이러한 세 가지 이유로 태양 전지 생산에 소요되는 전반적인 비용을 줄여줄 수 있다.
통조림 야채, 젤리, 소시지 등의 식품에 이용되는 염료인 패스트 그린(Fast Green), 손상된 세포에 착색하기 위하여 진단용 눈약으로 이용되는 Rose Bengal 등을 포함한 염료 혼합물에서 얻은 최상의 결과는 산화아연 태양 전지에서 7.9%의 에너지 전환 효율성(energy conversion efficiency)을 달성할 수 있음을 보여 주었다.
연구진은 오늘날 접착제, 화장품, 향수 등과 같은 다양한 제품을 생산하는 데 적용되는 기성 염료의 혼합물을 이용하여, 미래에는 특정 염료 혼합물이 지정된 사용을 목표로 하는 태양 전지를 만드는 데 적용될 수 있다고 밝혔다. 연구진은 염료 혼합물의 조성을 변화시킴으로써 혼합물의 특성이 특정 용도에 적합하게 어느 정도는 변화될 것이라고 지적했다.
소위 염료 감응형 태양 전지 분야를 다룬 이 연구는 인도의 신규 재생 에너지부(Ministry of New and Renewable Energy)의 후원으로 수행됐다.
※출처: 『글로벌동향브리핑(GTB)』
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