염료 감응 태양전지는 실내광으로도 전자 기기를 작동시킬 수 있다

스위스, 중국 그리고 스웨덴 연구자들은 실내에서 끊임없이 넘쳐흐르는 저조도 광에서 전자 센서에 전력을 충분히 공급할 수 있는 연료 감응 태양전지(DSSCs)를 개발했다. 

실내 광은 거의 가시광으로 이루어져 있기 때문에 가시광을 거의 흡수하는 염료가 다른 태양전지의 흡수 물질 보다 더 효과를 발휘한다.  

DSSCs는 염료가 광을 흡수해서 전자를 내놓으면 반도체인 TiO2가 전자를 잡아 외부 전선으로 전류를 흐르게 하고 외부 전선이 전해질과 연결되어 있어서 전자가 전해질을 통해 연료 분자로 돌아오는 원리를 이용한 것이다. 

DSSCs는 염료와 TiO2를 용액 공정으로 만들 수 있기 때문에 싸고 플렉서블하게 만들 수 있다. 그리고 염료의 올바른 조합을 통해 광흡수 대역을 넓힐 수 있다. 

 그러나 DSSCs는 큰 관심을 끌지 못했다. 그 이유 중 하나는 염료 의 부피가 크고 탄소 기반 분자여서 반도체 만큼 전자를 잘 전도하지 못해 효율이 낮고 Si 태양전지 패널 가격이 놀라울 정도로 떨어져 가격 경쟁력이 줄었기 때문이다. 

하지만 연구자들은 DSSCs 기술을 포기 하지 않고 크고 작은 개선을 이루고 있다. 

전해질로서 Cu을 C-N 고리 우리안에 끼워 넣어 비싼 금속을 대체하는 동시에 부피가 큰 연료 분자와 잘 조합이 되게 했다. 이렇게하면 Cu가 TiO2 근처로 못가게 해서 회로가 단락되는 것을 막을 수 있다. 

염료는 2 종류(XY1, D35)를 사용했는데 두 염료 모두 부피가 꽤 크며 고리로 길게 이어져 있다. 긴 고리는 상단의 염료에서 TiO2와 접촉해 있는 하단의 염료로 전자를 나르기 위한 전도 경로를 제공한다. 하단 염료을 통한 전도 경로는 TiO2의 전도대의 에너지와 매칭된다.   

두 염료는 서로 다른 비율로 혼합되어 가시광 영역과 맞먹는 350nm에서 약 650nm 까지의 광을 효과적으로 흡수할 수 있도록 했다.  

태양광 아래에서는 새로운 태양저지는 특별할게 없다. 효율 11%가 약간 넘을 뿐이기 때문이다. 하지만 흡수된 포톤으로 전자를 추출할 수 있는 능력인 소자의 내부 양자 효율은 90%이상으로 꽤 괜찮다. 

그래서 이 소자를 맑은 날의 태양광의 세기의 1%도 안되는 실내광 아래에 놓았을때 효율은 거의 29%로 치솟았다. 이 효율은 우주용으로 쓰이는 GaAs 태양전지의 효율 20% 보다 더 높았다. 

새로운 태양전지는 200과 1000 lux의 방에서 각각 15.6과 88.5 mW/cm2의 출력을 냈다. 가장 최신 전자 기기를 작동시킬 수 없지만 작은 센서를 충분히 구동시킬 수 있다. 

참고: https://arstechnica.com/science/2017/05/dye-sensitized-photovoltaic-cells-can-power-small-electronics-indoors/