울산과학기술원(UNIST) 화학과 권태혁·권오훈 교수 연구팀이 식물 광합성의 전자 전달 방식을 모방한 새로운 염료 분자 디자인 전략을 개발해 염료감응 태양전지 효율을 높이는 성과를 이뤄냈다.
식물 광합성을 본떠 빛에 의해 생성된 전자를 효과적으로 사용할 수 있는 분자 디자인을 개발한 것으로 태양전지뿐만 아니라 인공 광합성, 광촉매 분야 등 다양한 곳에 적용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.
연구팀은 기존 염료 분자의 도너-억셉터(donor-acceptor) 분자 구조에 새로운 화학 구조를 추가했다.
새로운 염료는 분자 유닛 간 강한 상호 작용과 약한 상호 작용을 모두 가진다는 특성이 있다.
강한 상호 작용은 분자 내에서 전자를 빠르게 전달하지만 전자(-)와 정공(+) 재결합도 빠른 단점이 있다,
약한 상호 작용을 추가로 형성시켜 전자를 빠르게 전달하면서 재결합 손실을 줄일 수 있게 됐다.
식물 광합성은 전자를 한 방향으로만 전달해 전자가 역으로 돌아와 정공과 재결합하는 것을 막는다.
엽록소가 빛을 흡수해 만든 전자가 재결합으로 손실되지 않고 다음 광합성 단계로 전달하는 효율은 100%에 가까운 것으로 알려져 있다.
연구팀은 개발한 염료가 전자를 빠르게 전달하면서도 전자와 정공의 재결합은 기존의 8분의 1 수준으로 억제하는 것을 흡수 분광분석으로 확인했다.
식물 광합성에서 전자를 한 방향으로 전달하는 특성과 유사하다.
이 염료 분자를 쓴 태양전지는 최대 10.8%의 효율을 기록했다.
염료 분자 내 상호 작용을 조절하지 않는 태양전지 대비 60% 이상 향상된 수치다.
권태혁·권오훈 교수 연구팀/UNIST 제공
연구 결과는 국제 학술지 ‘켐(Chem)’ 온라인 판 16일 자에 공개됐다.
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