“식물 광합성 따라했더니...” 태양전지 효율 60% 높아졌다

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지 중 하나인 염료감응 태양전지 효율을 기존보다 60% 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 화학과 권태혁·권오훈 교수팀은 기존 염료 분자의 도너-억셉터 분자구조에 새로운 화학 구조를 추가해 식물광합성의 전자전달 방식을 모방할 수 있는 염료를 개발했다.

이 염료는 분자 유닛간 강한 상호작용과 약한 상호작용을 모두 가진다는 특성이 있다. 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 있다는 것이 연구진의 설명이다.

이 염료 분자를 쓴 태양전지는 최대 10.8%의 효율을 기록했으며, 이는 염료 분자 내 상호작용을 조절하지 않는 태양전지 대비 60% 이상 향상된 수치다.

식물 광합성은 전자를 한 방향으로만 전달시킴으로써 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.

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.

권태혁 교수는 “식물 광합성을 본따 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 설명했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘켐(Chem)’ 2월 16일자로 온라인에 공개됐다.