염료 조합으로 유기 태양전지 효율 더욱 향상
- 기술 / 문광주 기자 / 2024-07-03 22:54:18
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지그재그로 접힌 펩타이드 프레임워크에 내장돼 서로 밀접하게 쌓인 4개의 서로 다른 메로시아닌(Merocyanin) 염료로 구성
햇빛으로부터 나오는 전기는 에너지 전환의 중요한 기둥이다. 따라서 태양광 시스템은 향후 몇 년간 꾸준히 확장되어야 한다. 우리 일상생활에서는 이미 다양한 장치가 태양 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하고 있다. 대부분의 광전지 시스템에는 가시광선 스펙트럼의 대부분을 흡수해 전기 에너지로 변환할 수 있는 페로브스카이트 또는 실리콘과 같은 반도체가 포함되어 있다. 그러나 페로브스카이트는 내구성이 좋지 않으며 실리콘 시스템은 특별히 효율적이지 않다.
충분한 빛 에너지를 흡수하기 위해 여러 층의 실리콘이 패널에 쌓여 있다. 이로 인해 태양전지가 부피가 커지고 무거워진다. 훨씬 더 얇고 가벼운 대안은 광활성 염료를 기반으로 한 유기 태양 전지다. 그러나 이들은 빛의 전체 스펙트럼 범위를 흡수하지 않으며 특히 효율적이지 않다.
자연을 모델로 한 염료 혼합
뷔르츠부르크 대학의 알렉산더 슐츠(Alexander Schulz)가 이끄는 팀은 이제 이러한 단점을 우회하는 새로운 빛 수집 시스템을 개발했다. 이를 위해 화학자들은 식물과 박테리아의 집광 안테나를 모델로 한 분자 복합체를 구축했다. 이 분자 복합체들은 광합성을 위해 넓은 스펙트럼의 빛을 포착하고 에너지를 내부로 전달하여 중앙 지점에 집중시킨다. 이는 개발을 통해 최적화되고 엽록소, 카로틴, 빌린을 비롯한 다양한 색소로 구성된 복잡한 구조로 인해 가능해졌다.
Schulz와 그의 동료들이 개발한 새로운 빛 수집 시스템은 비슷한 방식으로 구성됐다. 이는 지그재그로 접힌 펩타이드 프레임워크에 내장돼 서로 밀접하게 쌓인 4개의 서로 다른 메로시아닌(Merocyanin) 염료로 구성된다. 이러한 분자 배열은 시스템 내에서 신속한 에너지 전달을 가능하게 한다. 또한 4가지 염료는 자외선(U), 빨간색(R), 보라색(P), 파란색(B) 빛을 흡수하므로 500~700nm의 넓은 파장 스펙트럼을 흡수한다. 연구진은 프로토타입의 이름을 URPB로 명명했다.
결합 염료로 인한 높은 효율성
인공 안테나의 효율성을 결정하기 위해 Schulz와 그의 동료들은 시스템이 형광 형태로 방출하는 초과 에너지의 양을 측정했다. 이를 통해 이전에 수집한 빛 에너지의 양에 대한 결론을 도출할 수 있다. 화학자들이 보고한 바와 같이 염료 조합은 조사된 빛 에너지의 38%를 형광으로 변환한다. 그러나 네 가지 염료만으로는 각각 최대 3%를 생성한다.
스택에서 염료의 공간적 배열은 개별 분자 간의 화학적 상호 작용을 가능하게 하여 시스템을 더욱 효율적으로 만든다. 이는 미래의 태양전지를 더욱 효율적으로 만들어 광전지에서 더 높은 전기 생산량을 가능하게 할 수 있다.
"두 세계의 최고"
연구진에 따르면 그들의 기술은 두 세계의 장점을 결합한 것이다. “우리 시스템은 무기 반도체의 밴드 구조와 유사한 밴드 구조를 가지고 있다. 이는 전체 가시 범위에 걸쳐 전색적으로 흡수된다는 것을 의미한다”고 수석 저자인 Frank Würthner는 설명했다. “유기 염료의 높은 흡수 계수를 사용한다. 이는 자연광 수집 시스템과 유사하게 상대적으로 얇은 층에서 많은 빛 에너지를 흡수할 수 있음을 의미한다.”
따라서 새로운 기술은 유기 태양 전지를 보다 효율적으로 만들고 미래에는 더 얇고 가벼운 태양 전지 패널을 높은 효율로 만들 수 있다.
(Chem, 2024; doi: 10.1016/j.chempr.2024.05.023)
출처: 뷔르츠부르크 대학교
지그재그로 접힌 펩타이드 프레임워크에 내장돼 서로 밀접하게 쌓인 4개의 서로 다른 메로시아닌(Merocyanin) 염료로 구성
염료 조합 덕분에 더욱 효율적인 광전지
접힌 집광 시스템은 유기 태양전지의 성능을 향상시킨다.
독창적인 디자인:
화학자들은 미래에 태양 에너지를 더욱 효율적으로 사용하는 데 사용할 수 있는 새로운 유형의 집광 시스템을 개발했다. 연구진은 4가지 광활성 염료를 사용해 식물과 박테리아의 세포 소기관에서 광합성 염료가 배열되는 방식과 유사한 방식으로 이를 서로 겹쳐 쌓았다. 이 조합에서 재료는 특히 많은 양의 빛을 흡수한다.
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| ▲ 실내 조명에 최적화된 유연한 유기 PV 모듈이다. © 프라운호퍼 ISE |
햇빛으로부터 나오는 전기는 에너지 전환의 중요한 기둥이다. 따라서 태양광 시스템은 향후 몇 년간 꾸준히 확장되어야 한다. 우리 일상생활에서는 이미 다양한 장치가 태양 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하고 있다. 대부분의 광전지 시스템에는 가시광선 스펙트럼의 대부분을 흡수해 전기 에너지로 변환할 수 있는 페로브스카이트 또는 실리콘과 같은 반도체가 포함되어 있다. 그러나 페로브스카이트는 내구성이 좋지 않으며 실리콘 시스템은 특별히 효율적이지 않다.
충분한 빛 에너지를 흡수하기 위해 여러 층의 실리콘이 패널에 쌓여 있다. 이로 인해 태양전지가 부피가 커지고 무거워진다. 훨씬 더 얇고 가벼운 대안은 광활성 염료를 기반으로 한 유기 태양 전지다. 그러나 이들은 빛의 전체 스펙트럼 범위를 흡수하지 않으며 특히 효율적이지 않다.
자연을 모델로 한 염료 혼합
뷔르츠부르크 대학의 알렉산더 슐츠(Alexander Schulz)가 이끄는 팀은 이제 이러한 단점을 우회하는 새로운 빛 수집 시스템을 개발했다. 이를 위해 화학자들은 식물과 박테리아의 집광 안테나를 모델로 한 분자 복합체를 구축했다. 이 분자 복합체들은 광합성을 위해 넓은 스펙트럼의 빛을 포착하고 에너지를 내부로 전달하여 중앙 지점에 집중시킨다. 이는 개발을 통해 최적화되고 엽록소, 카로틴, 빌린을 비롯한 다양한 색소로 구성된 복잡한 구조로 인해 가능해졌다.
Schulz와 그의 동료들이 개발한 새로운 빛 수집 시스템은 비슷한 방식으로 구성됐다. 이는 지그재그로 접힌 펩타이드 프레임워크에 내장돼 서로 밀접하게 쌓인 4개의 서로 다른 메로시아닌(Merocyanin) 염료로 구성된다. 이러한 분자 배열은 시스템 내에서 신속한 에너지 전달을 가능하게 한다. 또한 4가지 염료는 자외선(U), 빨간색(R), 보라색(P), 파란색(B) 빛을 흡수하므로 500~700nm의 넓은 파장 스펙트럼을 흡수한다. 연구진은 프로토타입의 이름을 URPB로 명명했다.
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| ▲ 네 가지 메로시아닌 염료(왼쪽)의 구조식. 이를 적층하면(오른쪽) 새로운 광 수확 시스템 URPB를 형성한다. © 알렉산더 슐츠(Alexander Schulz)/뷔르츠부르크 대학교 |
결합 염료로 인한 높은 효율성
인공 안테나의 효율성을 결정하기 위해 Schulz와 그의 동료들은 시스템이 형광 형태로 방출하는 초과 에너지의 양을 측정했다. 이를 통해 이전에 수집한 빛 에너지의 양에 대한 결론을 도출할 수 있다. 화학자들이 보고한 바와 같이 염료 조합은 조사된 빛 에너지의 38%를 형광으로 변환한다. 그러나 네 가지 염료만으로는 각각 최대 3%를 생성한다.
스택에서 염료의 공간적 배열은 개별 분자 간의 화학적 상호 작용을 가능하게 하여 시스템을 더욱 효율적으로 만든다. 이는 미래의 태양전지를 더욱 효율적으로 만들어 광전지에서 더 높은 전기 생산량을 가능하게 할 수 있다.
"두 세계의 최고"
연구진에 따르면 그들의 기술은 두 세계의 장점을 결합한 것이다. “우리 시스템은 무기 반도체의 밴드 구조와 유사한 밴드 구조를 가지고 있다. 이는 전체 가시 범위에 걸쳐 전색적으로 흡수된다는 것을 의미한다”고 수석 저자인 Frank Würthner는 설명했다. “유기 염료의 높은 흡수 계수를 사용한다. 이는 자연광 수집 시스템과 유사하게 상대적으로 얇은 층에서 많은 빛 에너지를 흡수할 수 있음을 의미한다.”
따라서 새로운 기술은 유기 태양 전지를 보다 효율적으로 만들고 미래에는 더 얇고 가벼운 태양 전지 패널을 높은 효율로 만들 수 있다.
(Chem, 2024; doi: 10.1016/j.chempr.2024.05.023)
출처: 뷔르츠부르크 대학교
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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