^*염료: 햇빛을 받아 전자를 만들 수 있도록 설계된 인공색소. 엽록소가 햇빛을 흡수해 만든 들뜬 전자로 식물 광합성이 일어나듯, 염료가 만든 전자를 전극으로 전달해 전기를 만들 수 있다. 이 원리를 쓴 전지가 염료감응 태양전지다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

광합성에서는 자유에너지(free energy)와 전자결합(electronic coupling)1)을 이용하여 빛에 의해 들뜬 전자를 손실 없이 방향성 있게 전달(vectorial electron transfer)2)한다. 자연이 빛 에너지를 활용하는 것에 착안하여 태양전지와 같은 인공 광시스템이 개발되고 많은 발전을 이루었지만, 태양전지에서 방향성 있게 전자전달하는 것은 여전히 큰 도전으로 남아있다.

기존 태양전지용 유기분자는 강한 전자 주게(donor)와 받게(acceptor)를 평면구조로 구성하여 강한 전자결합을 가지게 함으로써, 분자가 빠르게 전자를 전달할 수 있게 하였다. 하지만, 전자-정공의 재결합과정 또한 빠르게 일어나 방향성 있게 전자를 전달할 수 없다는 한계를 가진다. 광합성에서는 약한 전자결합을 활용하여 재결합과정을 억제하고 방향성 있게 전자를 전달할 수 있지만, 약한 전자결합은 전자전달 능력 또한 감소시키기 때문에 태양전지용 분자에 활용되지 못했다.

이에 본 연구에서는 광합성에서 효과적으로 전자를 전달하기 위해 전자결합을 조절하는 것에 착안하여 단일 분자에 강한 전자결합과 약한 전자결합을 통합함으로써 방향성 있게 전자전달할 수 있는 태양전지용 분자를 개발했다. 전자결합을 최적화한 분자는 강한/약한 전자결합의 장점은 살리고 단점은 상호 보완하여 전자-전공 재결합과정을 억제하면서 동시에 빠르게 전자전달할 수 있다는 것을 순간 흡수 분광법(transient absorption spectroscopies)3)을 통해 규명하였다. 더 나아가, 개발한 분자를 염료감응 태양전지4)에 적용하여, 분자 내 전자결합을 최적화하면 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

2. 연구내용

기본적으로 태양전지용 유기분자는 가시광선의 빛을 흡수할 수 있도록 전자 주게(Donor, 이하 D)와 받게(Acceptor, 이하 A)로 구성된다. 본 연구에서는 전자 주게, 받게 외에도 추가적으로 π-spacer(π)5)를 도입하여 D-A-π 구성의 분자를 디자인하고 각 구성요소들 간에 전자결합을 조절하였다. 강한 전자주게와 받게를 평면구조로 구성하여 D-A사이의 전자결합 강하게 하고, A-π사이의 전자결합은 평면구조나 꼬인구조의 다양한 π-spacer를 이용하여 강하게 또는 약하게 조절하였다.

자외선-가시광선-적외선 분광법을 통해 분자 내 전자결합을 분석한 결과, 모든 분자들은 D-A 사이의 ~600 cm-1의 강한 전자결합을 가졌지만 A-π의 전자결합은 π-spacer 구조에 따라 달랐다. 평면구조의 π-spacer의 경우 강한 전자결합(650 cm-1)을, 꼬인구조의 π-spacer의 경우 상대적으로 약한 전자결합(310 cm-1)을 나타냈다. 이는 단일 분자에 강한 전자결합과 약한 전자결합을 성공적으로 도입한 것을 보여주는 결과다.

또한, 밀도범함수 이론(density functional theory)6) 계산을 이용하여 전자결합을 최적화한 분자는 효과적으로 전자전달 할 수 있으며, 전자-정공의 재결합과정 또한 억제할 수 있다는 것을 예측 및 분석하였다.

펨토초 및 나노초 순간 흡수 분광법(transient absorption spectroscopies)을 통해 태양전지 내 전하캐리어 변화를 10-13초부터 10-1초까지 분석한 결과, 전자결합을 최적화한 분자는 D-A의 강한 전자결합 덕분에 수백 펨토초(10-13)내에 빠르게 전자를 전달하고 동시에 A-π의 약한 전자결합 덕분에 전자-정공의 재결합을 기존 분자대비 8배 느리게 하여 방향성 있게 전자전달할 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 약한 전자결합은 나노초에서 일어나는 재결합과정 뿐만 아니라 피코초에서 일어나는 재결합과정 또한 효과적으로 억제할 수 있다는 것을 보여주었다.

더 나아가, 본 연구에서 제시하는 분자 디자인 전략이 실제 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있는지 확인하고자 개발한 염료를 염료감응 태양전지에 적용하여 그 특성을 분석하였다. 전류-전압 곡선에서 보여주듯이, 분자 내 A-π의 전자결합이 약할수록 태양전지의 전류와 전압이 향상되었다. 전자결합을 최적화한 분자는 기존 강한 전자결합으로만 구성된 분자 대비 태양전지 효율을 60% 높였고, 태양전지를 최적화였을 때 최대 10.8%의 높은 효율을 달성하였다. 전기화학분석을 통해 분자의 전자결합을 최적화하면 태양전지 내 전자-정공 재결합으로 생기는 손실 전류를 줄일 수 있다는 것을 입증하였다.

3. 기대효과

본 연구결과의 핵심은 (1) 광합성에서 일어나는 방향성 있게 전자를 전달하는 기능을 모방할 수 있는 태양전지용 분자 디자인 전략을 개발했으며, (2) 분자 내 전자결합을 최적화하면 빛에 의해 생성된 전자의 손실을 억제해 태양전지 효율을 높일 수 있다는 것을 제시하는 데에 있다. 본 연구에서 제시하는 분자 디자인 전략은 염료감응 태양전지뿐만 아니라 인공 광합성 및 광촉매 분야 등 다양한 곳에 적용 가능해 광활성 분자 개발에 큰 도움이 될 것으로 기대되는 바이다.

[붙임] 용어설명

1. 전자결합(Electronic Coupling)

분자 간 또는 분자 내 전자적 상호작용을 나타내는 요소

2. 벡터 전자 전달(Vectorial Electron Transfer)

광합성 과정 중, 빛에 의해 들뜬 전자가 자연 전자전달계에서 자유에너지와 전자결합을 통해 한 방향으로 이동하는 것을 일컫는다.

3. 순간 흡수 분광법(Transient Absorption Spectroscopy)

펄스 레이저를 이용하여 물질을 들뜬상태나 순간적으로 존재하는 상태로 만들어 물질의 흡수율 변화를 조사하는 분광학 기술이다.

4. 염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells)

금속산화물 표면에 화학적으로 흡착된 특수한 염료 분자가 태양빛을 흡수해 전자를 만들어냄으로써 전기를 생산하는 광전기화학전지이다. 일사량에 매우 민감한 실리콘 태양전지와 달리 밝기가 어두운 빛에 노출되어도 잘 작동하는 특성이 있으며, 제조 방법이 값싸고 저렴하다.

5. π-spacer

공액 전자계(π-conjugated system)에서 파이 오비탈(π orbitals)을 연결해주는 단위체를 지칭한다. 가장 흔한 예로 벤젠을 들 수 있다.

6. 밀도범함수 이론(Density Functional Theory)

분자가 가지고 있는 전자의 분포와 에너지를 양자역학적으로 계산함으로써 분자의 구조와 성질과 같은 특성 예측하기 위한 이론의 하나이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 광합성에서의 전자전달 기능을 모방하는 태양전지용 분자 디자인 전략 개념도.

그림2. 분자 구조와 상호작용(전자결합) 분석 결과. (A) (좌) 기존 강한 전자결합으로만 이루어진 분자에서 일어나는 빠른 전자-정공 재결합과정을 나타내는 개념도. (우) 본 연구에서 제시하는 강한/약한 상호작용으로 구성하면 방향성 있게 전자전달을 할 수 있다는 것을 나타내는 개념도. (B) 본 연구에서 개발한 태양전지용 분자 구조. 3종류의 염료 중 DD-DPP-DMP 는 분자 내에 강한 상호작용과 약한 상호작용을 모두 가진다. (C) 자외선-가시광선-적외선 분광법을 이용하여 분자 내 상호작용(전자결합)을 분석한 결과. (D) 밀도범함수 이론 계산을 이용한 분자의 스핀 밀도(spin density) 분석 결과.

그림3. 순간 흡수 분광 분석 및 태양전지 효율 향상 결과. (A) 펨토초 순간 흡수 분광법을 이용하여 전자전달과 전자-정공의 재결합 과정을 분석한 결과. 분자 내 상호작용을 최적화한 DD-DPP-DMP 분자의 경우(노란색) TiO2(염료감응 태양전지 전극)에 전자가 200펨토초 내로 빠르게 증가하고 그 이후 완만하게 감소한다. 이는 정공과 전자 재결합 속도가 느리고, 전자전달은 빠름을 의미한다. (B) 염료감응 태양전지의 전류-전압 곡선; 적색 선은 상업화되어 있는 D35 염료와 공흡착(co-sensitization)하여 태양전지를 최적화한 조건을 나타냄.