연구 개념도(EES저널 표지):실내조명으로부터 생산·저장된 에너지로 IoT 기기를 작동함으로써 사용자가 실시간으로 실내 환경 정보(온도, 습도)를 확인하는 모습을 보여줌/사진=UNIST
울산과학기술원(UNIST) 송현곤, 권태혁 교수팀은 어두운 조명에도 반응해 전기를 생산하고 저장까지 가능한 ‘염료감응 광충전 전지’를 개발했다고 21일 밝혔다.
태양전지를 비롯한 광전지는 빛에 반응하는 물질을 이용해 전기를 만든다. 다양한 광전지 중 염료감응 태양전지는 아주 작은 빛에도 반응하므로 낮은 밝기의 실내조명에서도 전기 생산이 가능하다.
공동연구팀은 축전기 대신 이차전지를 사용, 더 많은 전기 에너지를 저장하는 방법을 찾아냈다.
기존의 이차전지 양극과 광전지 전극은 에너지 준위(원자와 분자가 갖는 전자의 위치 에너지 값) 차이가 있어 둘을 합치기는 어려운데 이를 해결한 것이다.
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연구팀은 “광전지와 이차전지를 융합하려면 광전극에서 생성된 전자가 이차전지 양극까지 안정적으로 이동해야 한다”며 “리튬 이차전지의 양극으로 주로 사용되며 양쪽 반응성(산화·환원 모두 가능한 물질)을 갖는 리튬망간산화물의 표면에 탄소를 주입해 음극으로 사용함으로써 두 시스템의 에너지 준위를 맞출 수 있었다”고 설명했다.
또 연구팀은 저조도 환경에서 효과적으로 작동하는 산화·환원 중계물질을 찾아내 광전변환효율을 높였다. 염료감응 태양전지는 염료가 식물 엽록소처럼 태양광을 받아 에너지를 생산한다. 염료가 빛을 받으면 전자를 잃어버리는 산화 반응이 일어나고 이 전자가 이동하면서 전기가 만들어지는 것이다. 산화·환원 중계물질은 염료가 잃어버린 전자를 보충하는 역할을 하는 데, 저조도 환경에서 적합한 특성은 따로 있었다.
연구팀은 “염료에 도달하는 빛 입자수가 적은 저조도 환경에서는 산화·환원 중계물질이 얼마나 빨리 움직이느냐 보다는 방전 전압이 얼마나 높은지가 더 중요했다”며 “광충전 소자 설계 시 조도에 따른 산화 환원 중계물질 선택기준을 제시했다”고 전했다.
송 교수는 “새로 개발한 염료감응 광충전 전지는 실내조명 아래서 11.5%라는 높은 에너지변환·저장효율을 달성했으며, 이는 저조도 환경에서 세계 최고”라며 “ 광충전 전지 6개를 직렬로 연결해 실내조명(LED)으로 10분 충전한 후 상용 IoT 센서를 작동하는 데도 성공해 상용화 가능성도 높다”고 말했다.