태양전지를 위해 고안된 새로운 염료

태양전지를 위해 고안된 새로운 염료

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-04-11

새로운 종류의 염료가 태양빛을 전기로 변환할 수 있고, 광범위한 사용을 위해 가장 밝은 전망을 가진 저비용 광전압 전지(photovoltaic cell)인, 염료 감작성 태양 전지(dye-sensitised solar cells, DSSCs)들의 수명을 향상시킬 수 있다 . 스위스와 일본 연구자들에 의해 고안된 그 염료는 빛을 전기로 바꾸는 변환율이 10.1%로 사용가능한 가장 좋은 전지와 비교할 만하다 (JACS, 2009, DOI: 10.1021/ja9002684). DSSCs는 염료를 사용하여 태양빛으로부터 에너지를 포획하여 그것을 전류로 변환한다. 표준 장치는 루테늄을 기반으로 하는 염료인 N719를 포함하는데, 이는 가장 효율적인 염료들 중의 하나로 여겨진다. 그러나 N719와 그로 인해서 대부분의 DSSCs의 수명은 염료의 화학적 안정성을 감소시키는 치오시안산 (thiocyanate , SCN) 리간드에 의해서 제한된다. 이제 스위스연방기술연구소(Swiss Federal Institute of Technology)의 DSSC 발명가인 Michael Gratzel가 이끈 연구진이 잠재적으로 이런 안정성 문제를 해결할 수 있는 새로운 염료를 고안했다. 그들은 처음으로 성공적으로 치오시안산 기를 루테늄과 강한 화학 결합을 형성하고 고효율을 줄 수 있는 다른 것으로 치환하였다고 Gratzel가 말했다. 오래된 염료 고안에서는, 루테늄은 두 개의 탄산화된 바이피리딘(carboxylated bipyridines)과 두 개의 치오시안 리간드(thiocyanate ligands)와 결합한다. 그러나 새로운 디자인에서는 치오시안기들이 루테늄과 두 개의 결합을 형성할 수 있는 하나의 고리형금속 리간드(cyclometalated ligand)로 치환된다. 두 개의 불소 원자들이 그 복합체의 산화환원 에너지를 미세하게 조정하는 것을 도와, 그것이 너무 강한 전자 공여기(electron donor)가 되지 않도록 한다. 재생하기 위해서, 그 염료 분자들이 빛을 쪼였을때 그것이 잃은 전자를 다시 획득할 수 있어야 한다. 그 치오시안 기가 기존의 염료에서 가장 덜 안정한 요소로 여겨지며, 그래서 그것이 없는 그 염료가 보다 안정적일 것이라고 생각하는 것이 합리적인 것은 사실이지만, 그 논문에는 안정성 자료가 포함되지 않았는데, 대부분의 사람들이 안정성 시도가 너무 힘이 들기 때문에 개발이 충분이 진행되기 전에는 안정성 실험을 시도하기를 꺼리기 때문에 이점은 놀랍지는 않다고 런던임페리얼대학(Imperial College London)의 광전지 전문가인 James Durrant가 말했다. 그러나 Gratzel은 다음 단계로 나아가기 전에 그의 디자인의 효율성을 최적화하기를 원한다. 목표는 치오시안 리간드를 가진, 가장 성능이 좋은 루테늄 분자에 의해 도달되었던 11.1%이다. Gratzel은 그들이 분자 공학에 보다 많은 시간을 투자할 필요가 있으며, 아주 긴 안정성 검사가 8000시간 동안 지속되어야 할 것이고, 일단 초기 스크리닝을 거쳐 가장 좋은 리간드를 확인한 후에 그 검사를 하기를 원하게 될 것이라고 말했다. Durrant는 실용적인 장비로 더 좋은 염료에 대한 많은 보고가 있어 왔지만, 그것들이 필수적으로 실용적인 장비로 만들어지지는 않았다고 경고했다. 처음에 그들은 최고의 기술로 중요한 발전인 것으로 보였지만, 실제적인 실행 단계에 와서는 실제적으로 아무 것도 더 좋은 것으로 판명된 것이 없었다고 그는 말했다. [그림] 루테늄을 기반으로 하는 염료와 새로운 염료의 효율성과 구조