태양전지와 팅커토이 물질의 결합

샌디아 국립 연구소 연구원들은 광전 물질의 효율을 획기적으로 증가시키고 다른 에너지원들과 가격경쟁을 할 수 있는 태양 전기를 얻는데 도움을 줄 것으로 믿는 기술을 개발하기 위해 미 에너지부 에너지 선샷 계획에서 1.2백만 달러를 지원받았다.

이 연구는 염료 감응 태양 전지 (DSSC)와 금속-유기 뼈대 (MOF)를 결합하여 MOF 물질들에 대한 샌디아의 최근 성공들로 만들어졌다.

수많은 연구원들이 DSSC들을 연구하고 있지만 MOF의 전문지식은 다른 연구원들이 가지고 있지 않은 방법을 알려주고 있다고 이 연구실에서 태양 전지 조사의 오랜 역사를 함께 한 재료 과학자 샌디아의 에릭 스포에르케 박사가 전했다.

샌디아의 프로젝트는 선샷 목표에 도달하거나 초과하기 위해 광전 전환 개선을 실현하기 위해 물질 특성 수준에서 증명된 유망한 기초 재료 과학을 적용하는 프로젝트들을 지원하는 선샷의 차세대 광전 기술 III 프로그램을 통해 지원된다.

선샷 계획은 십 년 내 일반적인 에너지 원천을 가지고 태양 에너지를 순수하게 가격 경쟁적으로 만드는 목표로 혁신을 강하게 구동시키는 협동적인 국가적 노력이다. 선샷을 통해 에너지부는 킬로와트-시당 6센트까지 태양 전기 가격을 떨어뜨리기 위해 기업, 대학, 국립 연구소들에 의한 노력들을 지원하고 있다.

1980년대 개발된 염료 감응 태양 전지는 태양 스펙트럼 내 빛을 효과적으로 흡수하기 위해 디자인된 염료들을 사용한다. 이 염료는 광학적으로 여기된 염료 내 에너지를 유용한 전류로의 전환을 촉진하는 일반적으로 타이타늄 이산화물인 반도체와 함께 사용한다.

DSSC는 그들이 태양 전지에서 전류를 발생시키는 다양한 과정들로 분리되기 때문에 광전 기술 내 매우 큰 진보로 간주된다. 스위스 로잔 공과 대학 교수인 마이클 그래첼 박사는 최초의 고효율 DSSC를 발명하여 2010 밀레니엄 기술상을 수상했다.

예를 들어, DSSC는 다양하거나 다중의 염료들을 이용하여 실리콘 기반 태양 전지들보다 더 많은 태양의 에너지를 포획할 수 있고 다른 분자 시스템들을 이용할 수 있다.

샌디아 연구팀은 DSSC이 가지고 있는 특정 도전과제들은 MOF와 DSSC가 결합함으로써 극복될 수 있다고 생각한다.

연구원들은 DSSC 효율의 기본적인 한계인 DSSC 내 염료들이 더 많은 태양광을 흡수하는데 도움을 주는데 MOF의 배열된 구조와 다양한 화학을 이용하길 기대하고 있다.

그들의 가정은 타이타늄 이산화물 상부에 MOF 박막을 적층하여 원하는 방법으로 정확하게 염료를 규정할 수 있을 것이라는 것이다. 이는 염료가 MOF의 결정 구조로 구속되기 때문에 염료 뭉침의 효율 감소 문제를 피할 수 있을 것이다.

MOF는 고차원의 다공성를 제공하는 매우 정렬된 물질이다. 새로운 구조들이 쉽게 계획되고 조립될 수 있기 때문에 이 물질을 화학자들을 위한 팅커토이라고 부른다.

MOF의 특이한 다공성은 초기 염료로 포함시키지 못하는 태양 스펙트럼의 부가적인 부분들을 포함할 MOF의 구멍들 내에 위치된 두 번째 염료를 부가할 수 있게 해 준다. 또한 MOF는 현재 불안정성 문제들에 직면한 태양전지의 전체 전하와 흐름을 개선을 할 수 있게 도와줄 것이다.

기본적으로 MOF는 태양전지 내 분자들의 전자구조와 나노구조를 더 효과적으로 체계화할 수 있게 해 준다. 이는 이렇게 조립된 소자들의 효율과 안정성을 개선하려는 긴 여정이 될 수도 있다.

MOF, 염료 감응 태양전지와 원자층 증착의 결합으로 전에 도전해보지 못했던 방법으로 주요 미세 계면들과 재료 원소들 모두를 조절하는 방법을 찾을 수 있을 것이라고 콜로라도-보울라에르 대학의 원자층 증착으로 알려진 박막 기술의 전문가인 스티브 조지 박사가 전했다.

그림 설명: M: 금속 이온; L1,L2: 연결기들; 노란색 구: 게스트 분자. 모듈식의 다중가능 구조는 MOF 내 세 가지 가능한 광 수확 메커니즘들을 제공한다.: A) 뼈대 내부 하나 혹은 더 많은 유리 연결기 형태들 B) 구멍들 내에서 광 흡수 게스트 분자들; C) 격리된 게스트와 연결기의 적색에 새로운 흡수를 발생하는 게스트 분자들과 MOF 연결기들 사이 전하 이동 상호작용들.


※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 태양전지와 팅커토이 물질의 결합