그레첼의 TiO2 스펀지, 단분자 염료층으로 7% 태양전지를 만들다

1991년 Nature 논문은 충격적인 숫자로 시작했다. 상업용 태양전지에서 나오는 전력은 기존 발전 방식보다 약 10배 비쌌다. 염료 감응은 오래된 아이디어였다. 1970년대 초 산화아연 전극 위의 엽록소가 광자-전기 변환을 보여주었지만, 평평한 전극은 염료 단분자층 하나만 담을 수 있어 입사광의 약 1%만 흡수했다. 접근 방식 전체가 희망 없어 보였다.

1988년 UC 버클리에서 함께 연구를 시작한 브라이언 오리건과 마이클 그레첼은 화학이 아니라 구조를 바꿨다. 그들은 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 입자를 소결해 표면적이 약 1,000배인 스펀지로 만든 10µm 두께의 광학적 투명 필름을 제작하고, 그 내부 표면을 전하 이동 염료의 단일 단분자층으로 코팅했다. 이 단일 분자층은 이제 입사 태양 에너지 플럭스의 46%를 수확하고, 80% 이상의 광자-전류 효율로 TiO2 전도대로 전자를 주입했으며, 요오드화물 전해질에 의해 재생되었다.

이 전지는 모의 햇빛의 7.1–7.9%(1991년 기준 상업적으로 현실적인 수치)와 확산 일광의 12%를 변환했고, 12 mA/cm² 이상의 전류를 유지했으며, 분해 없이 최소 500만 회의 전환을 견뎠다. 전자가 접합 표면을 가로지르지 않고 벌크 전도대를 통해 이동하기 때문에 반도체는 저순도이고 저렴할 수 있었다. 논문 자체의 표현은 '저비용 공정을 통해 저순도에서 중간 순도의 재료로 만들어지는' 전지였다.

광 흡수를 전하 수송과 분리하다

실리콘 PV는 초고순도 결정과 접합급 공정이 비용을 지배했기 때문에 대량 발전에서 가격 경쟁력을 잃었다. 염료 전지는 값싸고 불완전한 재료를 허용하도록 설계되었다.

병목은 화학이 아니라 흡수였다. 단분자층은 빛을 그만큼만 포착하므로, 1,000배의 표면적 증가가 새로운 염료 없이 20년간의 실패를 해결했다.

전하 분리는 염료가 TiO2 전도대로 전자를 주입하는 순간, 재결합보다 앞서 일어난다. 이것이 분자 소자가 p–n 접합과 경쟁할 수 있게 하는 물리학이다.

요오드화물 전해질은 표백된 염료를 지속적으로 복원하므로, 안정성은 광분해가 아니라 재생 화학에서 나왔다. 분자당 500만 회의 전환이다.

구성 요소가 비싸거나 취약할 때, 그 역할을 구조의 역할과 분리하라. 단분자층은 흡수하고, 값싼 벌크는 전도한다. 나노 규모의 거칠기가 그 분리를 소자로 만든다.

1991년 논문은 광전지 분야에서 가장 많이 인용된 논문 중 하나가 되었고(Nature 자체 페이지에서 27,000회 인용), 전 세계적인 그레첼 전지 분야를 탄생시켰다. 발전소에서 실리콘을 대체하지는 못했다. 전해질 안정성과 건물 일체화가 요구하는 25년 수명이 여전히 어려웠기 때문에, 상업용 DSSC는 휴대용 및 실내광 충전기 같은 틈새 시장에 자리 잡았다. 가장 깊은 유산은 구조적이다. 2010년대 가장 빠르게 발전한 광전지 기술인 페로브스카이트 태양전지는 동일한 메조포러스 TiO2 스펀지 위에 칠한 페로브스카이트 '염료'로 시작되었다.