식물의 광합성처럼 빛 흡수하는 염료 사용한 태양전지를 창문에 부착하면 발전 능력 생겨발전 능력을 갖춘 ‘스마트 창문’이 에너지의 미래다. 과학자들이 그런 미래의 보편적인 구현에 한 걸음 더 가까워졌다.

염료감응(식물의 광합성 작용처럼 빛을 흡수하는 염료 사용) 태양전지는 투명 전자회로를 형성할 수 있는 얇고 신축적인 소재다. 이를 건물 창문에 부착해 전력을 생산할 수 있다. 언젠가는 이 기술이 현재의 태양전지판을 능가할 수 있다. 그러나 염료가 분자수준에서 반도체 표면과 상호작용하는 방식에 관한 이해 부족이 그 기술의 효율성 향상을 가로막는다.

올해 초 나노기술 분야 학술지 나노스케일에 발표된 논문에서 염료와 반도체 표면의 상호작용 메커니즘이 더 많이 밝혀졌다. 현재 미국 에너지부 산하 아르곤 국립연구소에 소속된 케임브리지대학 연구팀의 연구 결과는 모든 창문 표면에 발전 기능을 장착해 도시의 에너지 효율을 높이는 기술 개발에 기여할 수 있다.

이 연구는 완벽하게 조립된 태양전지 창문 내 유기염료와 반도체 표면 사이에서 작용하는 전극의 분자 구조를 모델로 삼았다(전극은 전기가 어떤 물체를 드나드는 관문 역할을 하는 도체다). 이번 경우 반도체 표면은 선스크린·도료·식품착색제 등에 다양하게 사용되는 이산화 티타늄이다. 이전의 연구에선 태양전지 창문을 구성하는 개별 부품의 분자구조를 모델로 삼았지만 태양전지 각 부품의 화학적 성분이 어떤 상호작용을 일으켜 태양전지의 효율성에 영향을 미치는지는 고려하지 않았다.

논문 작성자이자 케임브리지대학 분자공학 그룹 팀장인 재키콜은 한 인터뷰에서 이렇게 말했다. “우리 연구는 일부 지금껏 간과된 것을 포함해 특정 화학성분들이 이들 태양전지판의 광발전 성능에 명백히 영향을 미칠 수 있음을 입증했다. 태양전지 업계의 경제성을 판가름하는 최대 척도가 가성비이기 때문에 이들 태양전지의 경쟁력을 높이려면 성능만 약간 향상시키면 된다. 그리고 염료감응 태양전지의 생산원가가 다른 태양전지 기술에 비해 상당히 저렴하다.”

최근의 다른 연구에서도 햇빛을 효율적으로 흡수해 대규모로 에너지를 생산할 수 있는 비슷한 기술을 개발 중이다. 미시건주립대학 연구팀도 비슷한 투명 태양전지판을 개발했다. 미국 내 수십억㎡의 유리표면에 그 기술을 활용할 경우 잠재적으로 화석연료를 완전히 대체할 수 있다고 과학자들은 말한다. 매사추세츠공대의 또 다른 연구에선 염료를 함유한 합성 DNA의 나선을 이용해 빛 에너지를 흡수한다. 하지만 그 특정 메커니즘은 아직 창문이나 섬유 같은 소재에 구현되지 않았다.

케임브리지대학 논문 작성자들은 “염료와 이산화 티타늄 구조의 상호작용 방식을 좀 더 이해하면 합리적인 디자인을 통해 더 적합한 염료감응 태양전지 유기 염료의 분자 조작을 위한 ‘도구 세트’를 손에 넣을 수 있다”고 평했다. 염료는 식물이 광합성 중 햇빛을 흡수하는 방식과 비슷하게 그 소재의 채광을 돕는다. 태양광에서 에너지를 얻은 염료 분자는 이산화 티타늄 중 전기가 통하는 부분을 통해 에너지가 흐르게 한다.

콜 팀장은 뉴스위크에 보낸 메일에서 ‘그에 따라 회로에 전류가 통하게 된다’고 답했다. 이 연구에 사용된 이른바 MK-2 같은 유기 염료는 아직 실험 단계라고 콜 팀장은 말했다. 그러나 유기 금속 염료는 상용화의 초기 단계라고 말했다. 꼭대기의 창문에서 전력을 생산하는 고층건물이 이미 지난 10월 말 오스트리아 그라츠에서 문을 열었다고 콜 팀장은 설명했다. “이 기술을 이용한 태양광발전 창문의 상용화가 활발히 이뤄지고 있다. 그 기술에서 동력을 얻는 시범 건물들이 세워졌다.”

- 시드니 페레이라 뉴스위크 기자

[뉴스위크 한국판 12월 18일자에 실린 기사를 전재합니다.]

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