[위즈뉴스]식물 광합성 방식처럼 염료가 태양빛을 흡수해 만든 전자를 손실없이 전극에 전달할 수 있는 새로운 염료분자 디자인 전략이 나왔다. 이 염료를 쓴 염료감응 태양전지는 기존보다 최대 60% 이상 향상된 효율을 보였다.
염료란 햇빛을 받아 전자를 만들 수 있도록 설계된 인공색소다. 엽록소가 햇빛을 흡수해 만든 들뜬 전자로 식물 광합성이 일어나듯, 염료가 만든 전자를 전극으로 전달해 전기를 만들 수 있다. 이 원리를 쓴 전지가 염료감응 태양전지다.
UNIST(총장 ·이용훈)는 27일, 화학과 권태혁 교수와 권오훈 교수 연구팀이 기존 염료 분자의 '도너-억셉터' 분자구조에 새로운 화학 구조(분자 유닛)를 추가해 식물광합성의 전자전달 방식을 모방할 수 있는 염료를 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 일본 신슈(Shinshu)대학교 쇼고 모리(Shogo Mori) 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다.
연구팀에 따르면 이 염료 분자를 쓴 태양전지는 최대 10.8%의 효율을 기록했으며, 이는 염료 분자 내 상호작용을 조절하지 않는 태양전지 대비 60% 이상 향상된 수치인 것으로 알려졌다.
이번 연구 성과를 담은 논문은 SCI급 저명 국제학술지 ‘켐(Chem, IF=22.804)’ 2월 16일자 온라인에 게재됐다. 켐(Chem)은 세계적 학술지 '셀(Cell)'의 자매지다.
논문명은 'Molecular design strategy for realizing vectorial electron transfer in photoelectrodes'이며, UNIST 권태혁 교수와 권오훈 교수, 신슈대 쇼고 모리 교수가 공동교신저자로, UNIST 박준혁 박사, 김예진 박사, 한현규 박사과정생, 노덕호 석박통합과정생이 공동제1저자로 참여했다.
연구팀의 권오훈 교수는 “이번 연구는 유기화학, 분광학, 전기화학, 계산화학등 다양한 분야의 지식을 접목한 융합 연구의 성과”라고 말했다.
연구팀의 권태혁 교수는 “식물 광합성을 본떠 빛에 의해 생성된 전자를 효과적으로 사용할 수 있는 분자 디자인을 개발했다는 데 의의가 크다”며 “이번 연구에서 개발한 분자 설계 전략은 태양전지뿐만 아니라 인공 광합성, 광촉매 분야 등 다양한 곳에 적용 가능해 파급력이 큰 연구”라고 말했다.
이번에 개발된 염료는 분자 유닛 간 강한 상호작용(electronic coupling)과 약한 상호작용을 모두 가진다는 특성이 있다. 연구팀에 따르면, 강한 상호작용은 분자 내에서 전자를 빠르게 전달하지만 전자(-)와 정공(+) 재결합도 빠른 단점이 있었는데, 약한 상호작용을 추가로 형성해 전자를 빠르게 전달하면서 재결합 손실을 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌다.
한편, 식물 광합성은 전자를 한 방향으로만 전달시킴으로써(vectorial electron transfer) 전자(-)가 역으로 돌아와 정공(+)과 재결합하는 것을 막는 특성이 있다. 이 덕분에 엽록소가 빛을 흡수해 만든 전자가 재결합 손실되지 않고 다음 광합성 단계로 잘 전달된다. 실제 식물광합성에서 전자를 다음 단계로 전달하는 효율은 거의 100%에 가까운 것으로 알려져 있다.
또 연구팀은 이러한 결과를 순간 흡수 분광분석으로도 정량화했다. 태양전지 내 전하 이동(전자, 정공 이동) 속도를 10-13초부터 10-1초까지 나눠 분석한 결과 이 염료는 전자를 빠르게 전달하면서도 전자와 정공의 재결합은 기존의 1/8 수준으로 억제하는 것을 확인했다. 이는 식물 광합성에서 전자를 한 방향으로 전달하는 특성과 유사하다.
[그림설명]광합성에서의 전자전달 기능을 모방하는 태양전지용 분자 디자인 전략 개념도
연구팀의 노덕호 연구원은 “분자 내 서로 다른 상호작용을 형성해 각기 다른 상호작용의 장점을 살리고 단점은 상호 보완함으로써, 식물 광합성에서의 전자전달 방식을 모방한 태양전지용 분자를 개발했다”고 설명했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF)이 추진하는 ‘기후변화대응과제’와 울산과학기술원 등의 지원으로 수행됐다.
