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염료감응형 태양전지의 R&D 솔루션

Global Market Insights에 따르면 태양전지 시장은 2015년에 전 세계적으로 미화 350억 달러를 넘는 규모로 성장했으며, 2016년부터 2024년 사이에 매년 12.0% 이상의 CAGR를 보일 것으로 예상됩니다. 태양광 산업의 성장세는 환경적인 우려, 기술 혁신 그리고 수익 측면의 경제성이 결합되어 나타난 현상입니다. 염료감응형 태양전지는 다른 실리콘 전지에 비견되는 고품질 디자인의 경량형 제품으로 개발될 수 있기 때문에 수요 측면에서 견고한 성장세를 보이고 있습니다. 그러나, 염료감응형 전지의 낮은 광전 전환율은 R&D와 품질 관리에 심각한 과제를 안겨 줍니다. Waters는 다양한 첨단 분석 솔루션과 효율적인 Method를 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있는 새로운 방법을 고안했습니다.

  • 태양전지 유형
  • 염료감응형 태양전지의 메커니즘
  • 염료감응형 태양전지와 루테늄 복합체에 사용된 염료 유형
  • Xevo G2-XS QTof를 사용한 루테늄 복합체 분석 예제
  • 염료감응형 태양전지의 염료 분석을 위한 체계적인 솔루션

태양전지 유형

태양전지는 반도체를 이용해 빛을 전기 에너지로 직접 전환하는 물리 전지입니다. 제조 과정에 사용된 물질에 따라 태양전지는 대략적으로 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 화합물 태양전지, 유기 태양전지, 이 네 가지로 분류될 수 있습니다.

  • 실리콘 태양전지에 포함되는 단결정 실리콘 태양전지는 비싸지만 우수한 성능을 제공하며 에너지 전환 효율이 높습니다.
  • 다결정 실리콘 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지에 비해 제조 비용이 저렴하며 양호한 에너지 전환 효율을 보입니다. 박막 실리콘 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지보다 에너지 전환율이 떨어지지만 대량 제조가 쉽다는 장점이 있습니다.
  • 화합물 태양전지에는 다결정 실리콘 태양전지에 가까운 수준의 양호한 에너지 전환율을 보이는 자원 절약형 CIGS 태양전지와 CdTe 태양전지가 포함됩니다. 유기 태양전지에는 유기 반도체 태양전지와 염료감응형 태양전지가 포함됩니다. 염료감응형 태양전지에 대한 연구에 따르면 알루미늄은 기존의 롤투롤 인쇄 기법을 이용해 제조하기 쉽고, 반유연성과 반투명성을 보이며 실리콘 유형에 비해 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있으므로, 고품질 디자인의 경량형 제품 개발에 활용 가능합니다.

염료감응형 태양전지의 메커니즘

염료감응형 태양전지의 기본적인 메커니즘은 다음과 같습니다.

  1. 빛이 조사되면, 배터리의 염료가 여기(excite)되어 전자를 방출합니다.
  2. 전자는 산화티타늄(TiO2)을 통해 투명 전극으로 전달되어 외부로 흘러갑니다.
  3. 상대 전극에서는 배터리 전해액의 삼요오드화 이온(I3)이 전자를 획득하여 요오드화 이온(I)으로 환원됩니다.
  4. 전자를 잃고 양이온이 된 염료는 I에서 전자를 획득하여 원래 상태로 돌아갑니다.

TiO2 단독으로도 전력을 생산할 수 있기는 하지만, TiO2는 UV 광만 흡수합니다. 여기에 가시광 파장 범위의 빛을 흡수하는 염료를 추가하면 보다 넓은 파장 범위의 빛을 전력 생산에 사용할 수 있으며, 이에 따라 광전 전환율이 향상됩니다. 염료감응형 태양전지는 색상과 형태에서 높은 유연성을 보이고, 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 구조가 단순한 장점을 가지며 대규모의 복잡한 제조 시설이 요구되지 않아 저비용 대량 생산이 가능합니다. 그러나 염료감응형 태양전지의 광전 전환율은 고급형 전지에서도 약 10%에 불과하며, 이 값은 실리콘 전지의 절반 수준에 해당합니다. 현재 더 효율적인 염료감응형 태양전지의 개발을 추진해야 하는 과제가 남아 있습니다.

염료감응형 태양전지와 루테늄 복합체에 사용되는 염료 유형

염료감응형 태양전지에 사용할 적합한 염료를 찾기 위해 다양한 발색 리간드(폴리피리딘 복합체, 메탈로포르피린 및 메탈로프탈로시아닌 등 전이 금속 포함)와 여러 유형의 전자 주개와 전자 받개(donor-acceptor)의 염료(어떠한 금속도 포함하고 있지 않음)를 대상으로 많은 연구를 진행했습니다.

루테늄의 폴리피리딘 복합체는 광물리학 그리고 광환원 반응 화학 영역에서 오랫동안 연구되어 왔습니다. 폴리피리딘 리간드 공액계의 변환은 적절한 작용기의 주입을 촉진하며, 따라서 고효율 감광제의 개발도 추진되고 있습니다.

UPLC/Xevo G2-XS QTof를 사용한 루테늄 복합체 분석 예제

루테늄 복합체는 흡수 특성과, 역상 크로마토그래피에 사용된 컬럼 충진물질(ODS 등)의 실라놀기와의 비가역적 상호작용으로 인해 컬럼에서 용리되기 어려우며, 따라서 크로마토그램에 넓은 피크가 나타납니다. 합성 수율을 예측하는 불순물 분석에서 피크의 분리가 부족하면 불순물 피크가 간과되어 수율이 부정확하게 평가될 수 있습니다. Waters는 UPLC 시스템과 하이브리드 입자 기술을 채택하는 BEH 컬럼을 사용하여 루테늄 복합체를 분석할 것을 제안하며, 이 방법으로 보다 뾰족한 피크를 얻을 수 있습니다. 이 조합을 통해 합성된 불순물을 적절하게 고려하여 수율을 평가할 수 있습니다. 주요 성분으로부터 불순물을 분리하여, 신뢰성이 뛰어난 질량 정보를 얻게 되어 불순물의 구조를 더 명확히 설명할 수 있습니다. 또한 합성 과정의 불순물 생성 메커니즘을 이해할 수 있으며, 불순물을 줄여주는 보다 효과적인 프로세스를 찾는 데 도움이 됩니다. PDA 검출기를 이용한 순도 시험은 제공된 염료의 주입 검사에 쉽게 적용할 수 있으며, 이는 염료의 안정적인 품질 관리에 도움이 됩니다.

염료감응형 태양전지의 염료 분석을 위한 체계적인 솔루션

UPLC/Xevo G2-XS QTof (UPLC/Quadrupole, time-of-flight 질량 분석기) 

  • IntelliStart를 이용한 자동 검량
  • LockSpray를 이용한 정밀한 accurate mass 측정
  • i-Fit을 이용한 정밀한 원소 조성 분석
  • UPLC(초고성능 액체 크로마토그래피)에 최적
  • QuanTof 기술에 기반한 고선택성 정량분석
  • ESCi, APCI/APPI, ASAP, APGC에 적용 가능
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