염료-감응형 태양 전지를 안정화시키는 액체 결정

광전지: 새로운 전해질이 염료-감응형 태양 전지(Dye-sensitized solar cells (DSCs))가 높은 온도에서 작동하게 해준다.

염료-감응형 태양 전지가 저렴하고 만들기 쉬운 광전지로 이끌어 줄 수 있을 것이다. 그러나 그것들은 한 가지 큰 단점이 있다: 그것들은 높은 온도에서 아주 잘 작동하지 않는데, 이것은 태양빛을 흡수하도록 고안된 장치를 위해서 문제가 될 수 있다. 이제, 한 그룹의 연구자들이 액체 결정들을 그 장치에 통합시켜서, 그러한 태양 전지들을 위해서 보고된 가장 높은 작동 온도인 섭씨 120도까지 작동하는 버전을 만들었다(Chem. Mater. 2014, DOI: 10.1021/cm503090z).

Gratzel 전지로도 알려진, DSCs는 전해질에 의해서 분리된 양극과 음극으로 이루어진다. 양극은 태양빛을 흡수하고 전자를 방출하는 염료로 코팅된 이산화티타늄(titanium dioxide)의 입자들을 가진다. 전해질에 있는 요오드화 이온들이 음극으로부터 전자들을 다시 양극으로 수송해서, 전기 포텐셜을 만드는 것을 돕는다.

초기 DSCs에서, 전해질들은 요오드화 이온들을 포함하는 유기 용매들로 이루어졌다. 불행하게도, 액체는 새고 높은 온도에서 증발하는 경향이 있다. 더 최근의 DSCs는 중합체들과 같은 비휘발성 전해질을 이용하지만, 이들 장치들은 태양빛을 전력으로 바꾸는데 효율적이지 않다. 높은 전도성과 낮은 증발성을 가지는 이온성 액체들은 전망 있는 전해질이지만, 높은 온도에서 불안정하게 된다.

그래서, 도쿄대(University of Tokyo)의 Takashi Kato와 그의 동료들은 액체 결정을 형성하는 탄산염-기반의 분자와 요오드를 기반으로 하는 이온성 액체를 통합함으로써 보다 안정적인 전해질을 만들기로 결정했다. 그 액체 결정은 층을 이루는 나노구조들로 자가조립해서, 그 연궂들이 이온들을 효율적으로 수송하는 전해질에서의 채널을 고안할 수 있게 해주었다. 디스플레이에서 사용되는 액체 결정들과는 달리, 이것들은 전압에 반응해서 그들의 배향을 바꾸도록 고안되지 않았다. 액체 결정들이 높은 온도에서 안정하게 남기 때문에, 그 조합 전해질도 또한 사용가능하다.

그 태양 전지들은 섭씨 90도에서 수집된 빛의 2.7퍼센트를 전기로 바꿨다. 표준적인 염료-감응형 전지들은 상온에서 11에서 12퍼센트 효율적이지만, 50도 이상에서 그들의 성능은 떨어진다. 국제적인 표준은 태양 전지를 섭씨 85도에서 시험할 것을 요구한다. Kato는 그의 전지들의 효율성은 8~10퍼센트로 늘리기를 바라고 있는데, 이것은 그것들을 상업적으로 실행가능하게 만들기에 충분할 것이다.

그는 성능을 늘리는 것을 시도하기 위해서 그 전해질에서 물질들의 다른 조합을 시험할 계획이다. 액체 결정들이 조직된 후에, 그 전해질을 중합화하여 최적의 나노구조를 고정시키는 것도 가능할 것이라고 그는 말했다. 그러한 고체-상태 전해질은 유출의 문제가 없을 것이고, 보다 유연한 태양 전지를 가능하게 해줄 것이라고 그는 설명했다.

산디아국립연구소(Sandia National Laboratories)의 Erik Spoerke는 그 장치가 아마도 섭씨 120도에서 정상적으로 작동하지 알을 것이지만, “더 높은 온도 안정성은 그 장치가 더 합리적인 작동 온도에서 기능저하에 덜 취약할 것이라는 것을 의미한다”고 말했다. 스위스에 있는 바젤대(University of Basel)의 화학자인 Edwin C. Constable은 그 새로운 전해질이 “DSCs의 성능을 더 향상시킨 위한 새로운 길들을 열어준다”고 말했다. 바젤대에 있는 Catherine E. Housecroft도 “이온 수송을 위한 기질을 제공하기 위해서 액체 결정을 사용하는 것은 정말로 흥미로운 개발이고 DSD 공동체가 널리 관심을 가질 것”이라고 말했다.

그림. 염료-감응형 태양 전지(왼쪽)는 불소 도핑된 주석 산화물(fluoride-doped tin oxide (FTO)) 유리의 두 판들로 이루어지는데, 하나는 티타늄이산화물(titanium dioxide)와 양극으로서 기능하는 염료 나노입자들로 코팅되었고, 다른 하나는 음극을 위해서 백금으로 코팅되었다. 나노구조를 가진 액체-결정(LC) 전해질(가운데)는 그 전극들 사이에 놓인다. LC 분자들은 조립되어서 양극과 음극 사이에 효율적인 이온 전송을 위한 채널을 만든다(오른쪽)  

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 염료-감응형 태양 전지를 안정화시키는 액체 결정