광에너지에 ‘공격적으로’ 접근해보자!

광에너지에 ‘공격적으로’ 접근해보자!

 

 들어가면서

 신재생에너지란 말 그대로 ‘재생 가능한 신(新) 에너지’를 말한다. 한번 쓰면 사라지며 많은 유해물질을 남기는 석탄에너지가 널려있는 세상에서 이러한 에너지의 사용은 가히 혁명이라 일컬을 수 있다.

  하지만 무엇이든지 초기에는 한계가 있는 법이다. 현재 신재생에너지 중에서 가장 각광받는 ‘태양전지’도 에너지 변환효율이 10~20%에 불과하다는 단점이 있다. 이번 기사에서는 이러한 태양전지의 낮은 효율을 끌어올리기 위해 연구되는 것들 중, 조금은 색다른 방식에 대해 설명하고자 한다.

태양전지의 효율

 앞에서 말했듯이 현재 태양전지의 효율은 10~20%에 그친다. 이처럼 낮은 효율에는 태양전지 내부의 에너지 손실이 원인이 될 수 있지만 보다 근본적으로 태양전지가 태양광을 100% 흡수하지 못한다는 사실에서 기인한다. 기본적으로 태양전지가 작동되기 위해서는 전지 안에 있는 광자(Photon) 수용체가 지닌 에너지보다 높은 에너지가 전지로 조사되어야한다. 하지만 태양광은 넓은 범위의 스펙트럼을 가지기 때문에 전지 내의 광자 수용체보다 높은 에너지를 가진 광자는 일부에 불과하다. 따라서 소수의 광자만을 태양전지가 흡수하기 때문에 효율이 낮은 것이다.

 

[그림1. 실리콘 태양전지의 기본원리]

출처: ㈜한국대체에너지

 현재 많은 연구진들은 태양전지의 효율을 증대시키기 위해 전지를 이루고 있는 소재 개발에 주력하고 있다. 흡수할 수 있는 광자의 범위가 넓어지면 자연스럽게 광전효과로 인해 많은 양의 광자가 생성될 것이고 이로 인해 많은 양의 전기에너지가 생산되기 때문에 ‘보다 넓은 에너지 범위를 가진 광자를 흡수할 수 있도록 하는 소재를 개발하는 것’이 연구의 핵심 목적이다.

 실제로 실리콘계, Cd, Te, Se 등을 사용하는 화합물계, 염료를 이용하는 염료감응계, 유기반도체를 이용하는 유기박막계, 양자점 태양전지, 페로브스카이트 등 다양한 소재를 이용한 태양전지들이 상용화·연구 과정 중에 있다. 각각 소재에 따른 설명은 아래의 기사를 참고하기 바란다.

‘실리콘 태양전지를 넘어설 수 있을까? 주목할 만한 태양전지들’

http://www.renewableenergyfollowers.org/2159

 

[그림2. 소재에 따른 태양전지의 분류]

출처: 2011 중소기업 통합기술로드맵3 (전략분야 현황분석) 

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 위의 기사를 보면 알겠지만 각각의 태양전지에는 상당히 복잡한 원리들이 담겨져 있다. 이들은 모두 특정한 ‘소재’에 의해 분류되고 일부는 현재 태양전지의 약 95%를 차지하는 실리콘계 태양전지보다 태양전지의 재료비를 낮출 수 있거나 더 높은 효율을 낼 수 있다는 긍정적인 평가도 나오고 있다.

 그런데 몇몇 소수의 연구진들은 이러한 소재의 개발에서 눈을 돌려 에너지 자체를 바꿔보자는 방향으로 태양전지에 접근하고 있다. ‘상향전환(Upconversion, 이하UC)’이라고도 불리는 이 연구는 태양전지에 흡수되지 못하는 광자들을 융합시켜 태양전지가 흡수할만한 범위의 에너지로 변환시킴으로 인해 전지의 효율을 증가시키는 것이 핵심이다. 광자를 융합시킨다? 다소 생소할 수 있는 말이다. 실제로 UC의 원리 중 하나인 삼중항-삼중항 소멸에 의한 광에너지 상향전환은 국내에서도 한 두 팀에 의해 연구되고 있는 매우 희소한 분야이다. 아직 무슨 말을 하는지 당최 이해를 못하는 분들을 위해 위에서 언급한 ‘삼중항-삼중항 소멸(이하 TTA)’을 토대로 UC를 파헤쳐 보겠다.

삼중항-삼중항 소멸에 의한 상향전환(이하 TTA-UC)

 UC는 자연적으로 자연적으로는 거의 관찰되지 않는 현상인데, 이를 이용하면 낮은 에너지를 가진 빛을 높은 에너지를 가진 빛으로 변환이 가능하기 때문이다. 원래는 높은 에너지를 가진 빛(자외선)를 흡수하여 낮은 에너지를 가진 빛(가시광선)을 만들어내는 것이 자연스러운 현상이나 열열학적으로 위배되는 것처럼 보이는 현상인 UC는 광자들의 ‘융합’을 통해 일어나기 때문에 가능하다.

 이제 TTA-UC를 보자. 이는 광자수용체(Sensitizer, Sens), 전자수용체(Acceptor, Acc), 그리고 이 두 가지가 녹아있는 용매(Media)의 조합을 통해 이루어지며 그 원리는 아래와 같다.

[그림3. Jablonski Energy Diagram]

출처: 광에너지 상향전황 기술에 대한 소개와 연구전망 

 먼저 Sens가 입사되는 광자를 흡수하여 1Sens*로 여기(Excited) 되고 Intersystem crossing(ISC)를 거쳐 3Sens*가 생성된다. 1Acc는 삼중항-삼중항 에너지 전달(TTET)을 통해 여기된 3Sens*로부터 전자를 받아 3Acc*로 여기 되고 다른 3Acc*와 TTA를 통해 1Acc*를 형성하고 1Acc*가 기저상태로 전이될 때 형광이 나타난다.

 

[그림4. TTA-UC의 모식도]

출처: 광에너지 상향전환 기술에 대한 소개와 연구전망 

 여기서 ISC란 ‘Intersystem crossing’의 약자로, 일중항 상태의 Sens에서 삼중항 상태의 Sens로의 ‘무방사(빛을 내지 않는) 변환과정’으로 0과 1사이의 확률을 지닌다. 원래 분자가 일중항 상태에서 삼중항 상태로 변환되는 것은 불가능하지만 ‘오비탈 겹침(Orbital overlapping)’이 발생하는 특수한 경우에는 일중항에서 삼중항으로 넘어가는 것이 가능하다. ISC 물질마다 고유한 값을 가지기 때문에 TTA-UC에서는 의도적으로 ISC가 1에 가까운 물질이 Sens와 Acc로 사용된다.

[그림5. Orbital Overlapping]

출처: Chemistry Libretexts

 

 

[그림6. TTA-UC에 사용되는 대표적인 Sens와 Acc 물질]

출처: 광에너지 상향전환 기술에 대한 소개와 연구전망

 TTET는 삼중항 상태의 여기된 Sens와 삼중항 상태의 여기된 Acc 사이의 에너지(전자) 전달이라는 것 정도만 알아두자. 보다 자세한 설명을 위해서는 양자역학의 개념을 가져와 전자의 스핀부터 설명해야 하지만 상당히 복잡해지므로 기사에서는 생략하도록 한다.

 TTA-UC의 개략적인 원리까지는 살펴보았다. 그런데 이것이 어떻게 태양전지의 효율을 높일 수 있다는 걸까?

태양전지에서 TTA-UC의 활용 

 TTA-UC를 태양전지에 응용하여 효율을 높이기 위한 연구들이 진행 중에 있다. 그중 하나인 DSSC와 TTA-UC의 혼성공정은 DSSC의 뒤쪽에 TTA-UC층을 두고 Reflector라 불리는 장치를 아래쪽에 위치시킴으로 전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

[그림7. DSSC와 TTA-UC의 혼성]

출처: 광에너지 상향전환 기술에 대한 소개와 연구전망 

 위 그림에서 태양광이 태양전지에 입사되면 태양전지에 흡수되지 못하고 버려지는 광자가 생기게 된다.(붉은색) 흡수되지 못한 광자는 TTA-UC층에 입사되어 TTA-UC에 의해 전지에 충분히 흡수될 수 있을 정도의 에너지를 가진 광자로 상향전한 되고 TTA-UC층 아래에 위치한 Reflector를 통해 반사되어 태양전지로 재흡수 되므로 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다.

끝으로

 UC는 “태양전지의 소재를 건드리지 않고 에너지 자체를 변환시켜 전지의 효율을 끌어올린다.”는 내용을 담고 있기 때문에 상당히 매력적인 연구 분야다. 하지만 DSSC & TTA-UC 혼성 공정을 통한 태양전지의 효율향상도 아직 미미한 수준이기 때문에 상용화가 되려면 많은 연구가 필요하고 Sens와 Acc를 담고 있는 용매 내의 용존 산소로 인해 TTA-UC의 효율이 매우 떨어진다는 점과 사용하는 유기용매의 독성/휘발성 문제 등 해결해야 할 과제도 많이 남아있다. 그래도 소재의 개발이 아닌, 빛에너지 자체를 이용한다는 생각은 표현을 빌려 정말 태양광에 ‘공격적으로’ 접근하는 것이 아닐까 생각한다.

참고문헌

광에너지 상향전환 소개와 연구전망