햇빛→전기 광합성 원리 이용 고효율 태양전지 염료 개발

염료감응 태양전지

식물은 햇빛을 전기로 바꾸고 이를 이용해 양분을 만들어 살아간다. 1000조분의 1초 동안 일어나는 광합성이라는 과정이다. 식물의 엽록소는 햇빛을 거의 100% 전기에너지로 바꿔 준다.

과학자들은 오래전부터 이런 원리를 이용해 전기를 생산하는 방법을 연구해 왔다. 빛을 전기로 바꾸는 엽록소의 성질과 유사한 물질을 만들어 내겠다는 것이다.

고려대 신소재화학과 고재중(사진) 교수가 만든 염료감응 태양전지 염료도 이와 비슷한 원리를 따른다.

고 교수팀은 빛을 쬐면 전자를 잘 내놓는 유기화합물 55가지를 만들었다. 주로 탄소와 수소, 산소로 이뤄진 이들 화합물은 빛에너지를 받으면 전자를 내뱉는다. 비교적 높은 에너지를 가진 전자들이 햇빛에서 에너지를 공급받아 자유롭게 돌아다니는 상태가 되는 것이다. 이를 모아 전선에 흘려주면 전기로 사용할 수 있다.

고 교수팀이 개발한 염료는 효율이 최대 10.22%에 이른다. 빛 알갱이(광자) 100개를 받으면 10개 정도 전자를 내놓는다는 의미다. 현재까지 발표된 최고의 효율은 12%로 스위스 연방공대 연구팀이 만든 염료이다.

염료감응 태양전지는 여러모로 장점이 많다. 먼저 고분자 염료를 쓴 태양전지에 비해 변성이 덜 된다. 오랫동안 빛에 노출되다 보면 전기적 성질이 변해 예전만큼의 성능을 내기 어려워진다. 고분자 염료는 햇빛에 분자가 잘 끊어지지만 고 교수팀의 염료는 분자가 작아 끊어질 염려가 없다. 따라서 10∼15년 사용할 수 있는 태양전지를 만들 수 있다.

가장 널리 보급돼 있는 실리콘 태양전지보다 제작이 간편하다는 장점도 있다. 고 교수는 “유기화합물을 이용한 염료는 고가의 제조설비가 필요없다”며 “실리콘 태양전지의 2분의 1 수준의 제조비로 휘거나 옷에 붙이는 다용도의 태양전지 제작이 가능하다”고 말했다.

그렇다고 만사가 해결된 것은 아니다. 염료 효율은 10%에 이르지만 실제 태양전지로 만들면 그만한 효율이 나오지 않는다. 현재까지 이를 활용해 태양전지를 제작할 경우 효율은 5.5∼5.8%로 상품적 가치가 있는 7%에는 못 미치고 있다.

고 교수의 이번 연구는 지난해 9월 13일 스위스에서 열린 태양광학 분야의 국제학회인 ‘나노유럽’과 화학 분야의 권위지 ‘앙게반테 케미’ 이달 5일자에 소개됐다.

박근태 동아사이언스 기자 kunta@donga.com