우리가 사용하는 전기 에너지는 어디에서 왔을까. 바로 우리나라 곳곳에 있는 전력 발전소에서 생산된 것들이다. 그중 화력발전소가 우리나라 전체 전력생산의 60%이상을 점유하고 있다. 화력발전은 석탄이나 중유 등의 연료를 연소시켜 얻은 증기를 증기 터빈에 보내 그 동력으로부터 전기에너지를 얻는다.
화력발전은 연료를 연소시키는 방식이다 보니 그 과정에서 많은 오염물질이 배출될 수 밖에 없다. 이산화탄소와 황산화물, 질소산화물 등을 배출해 대기오염의 주범이 된다. 게다가 화력발전에 이용하는 연료들은 모두 유한적인 자원이다. 이런저런 이유로 화력발전을 대체할 에너지가 절실히 필요한 상황이다.


가장 주목받는 대체 에너지는 태양열


그중 가장 주목받고 있는 것이 태양열이다. 아침이면 어김없이 뜨는 태양은 엄청난 빛과 열에너지를 지구로 보내온다. 이를 우리가 사용 가능한 전기에너지로 만드는 태양열 발전은 친환경적일뿐더러 그 에너지원이 무한하다.
 
하지만 태양열 발전의 가장 큰 문제점은 바로 효율성에 있다. 태양이 엄청난 에너지를 보내오고 있지만 이를 100% 모두 에너지로 전환할 수가 없는 것이다. 또한 비가 오는 날이나 한밤중엔 태양에너지의 양이 극도로 감소하기 때문에 이용에 제한이 있다.
하지만 인류의 기술발전은 쉬는 법이 없다. 태양광선을 보다 효과적으로 받아들여 에너지 효율을 높이고 태양빛의 양이 매우 적은 경우나 밤에도 이용할 수 있게 하는 기술들이 개발되고 있는 것이다. 바로 ‘염료감응태양전지’이다.


광합성과 비슷한 염료감응태양전지의 원리

염료감응태양전지는 1991년 스위스 로잔공대 마이클 그라첼 교수에 의해 개발된 이후 많은 연구·개발을 거쳐 최근 상업화할 수 있는 단계에 이르렀다. 여기서 염료(dye)는 섬유 등을 염색시키는 착색제를 뜻하는 말이다. 이는 기존 태양전지의 형태와 성능에 획기적인 변화를 가져왔다.
염료감응태양전지는 식물의 광합성과 그 원리가 비슷하다. 식물의 책상·해면 조직 세포에 들어있는 엽록체엔 흔히 녹색을 띄는 엽록소라는 색소가 들어있다. 이 엽록소는 태양광을 흡수하는 역할을 해 엽록체가 광합성을 통해 에너지를 생산할 수 있게 해준다. 염료감응태양전지에선 염료가 엽록소의 역할을 한다고 볼 수 있다. 여기 사용되는 염료는 광 감응 염료로써 빛을 흡수해 전자를 내보내게 된다.
하지만 염료 혼자서 태양전지를 만들 수는 없다. 전자의 이동과 염료의 산화, 환원을 도와주는 물질들이 함께 추가돼 만들어진다. 그 물질은 전해질과 이산화티타늄(TiO
이산화티타늄은 광화학반응을 촉진시키는 대표적인 광촉매물질이다. 이산화티타늄은 유해물질을 분해하는 기능도 있어 다양한 친환경 제품에도 적용되고 있다. 헌데 빛을 받아 화학반응을 촉진시키는 광촉매를 두고 왜 염료를 사용할까? 그것은 이산화티타늄이 자외선에 반응하지만 가시광선에는 반응하지 않기 때문이다. 이에 산화티타늄에 염료를 부착시켜 태양전지의 재료로 이용하는 것이다. 염료가 가시광선을 받아 발생한 전자들이 이 산화티타늄을 통해 전극으로 이동하게 된다.
이로 인해 발생한 전위차로 전기를 만드는 것이다. 또한 전자는 전해질과 산화반응을 일으키고 산화된 전해질은 다시 염료와 환원반응을 일으킨다. 간단히 말해서 전해질이 전자를 잃은 염료에 계속해서 전자를 충전시켜 준다고 할 수 있으며 이로 인해 염료는 계속해서 전자를 내보낼 수 있게 되는 것이다.


저렴한 가격, 실용성 있는 디자인에 아름다움까지


염료감응태양전지에 주목할 만한 점은 여러 가지가 있다. 우선 이런 재료들이 기존 실리콘 태양전지에 비해 저렴하다는 것이다. 또한 반투과성을 띄기에 빛이 쉽게 통과하며 염료를 사용하기 때문에 원하는 다양한 색깔을 입힐 수도 있다. 기존의 검고 불투명했던 태양전지에 비교되는 모습이다.
투과성을 가지고 있기 때문에 유리창으로 사용할 수도 있으며 다양한 색깔로 독특한 디자인을 통해 장식재로 사용할 수도 있다. 시커먼 기존 태양전지의 패널로 인한 미관상 단점을 해결해 줄 수 있는 것이다. 게다가 빛을 흡수하는 광감응 염료를 사용하기 때문에 태양광이 부족한 곳에서도 효율적으로 전기를 만들어낼 수 있다.
무엇보다 투과성이 있다는 점은 그 활용 가치를 더욱 높여준다. 지난 저탄소 친환경 박람회에서 볼 수 있었던 태양광 충전 휴대폰이 그 예다. 휴대폰 화면 부분에 이 태양전지를 부착한다면 휴대폰이 표시하는 내용을 볼 수 있을 뿐만 아니라 화면으로 들어오는 빛에너지를 이용해 전력 생산이 가능하다.


계속되는 연구·개발, 최대 31% 효율까지 가능

하지만 아직 완벽하지는 않다. 기존 실리콘 태양전지들에 비해선 광효율이 떨어지는 것이 사실이다. 현재까지 개발한 기술로는 실리콘 태양전지의 절반수준에 해당하는 약 12%정도의 광효율을 보이고 있다. 또한 염료가 쉽게 휘발돼 수명이 짧은 것도 하나의 단점이다. 하지만 여전히 개발 단계에 있기 때문에 실망할 것은 없다.
그라첼 교수는 이론적으로 염료감응 태양전지의 효율이 31%까지 가능하다고 밝힌 바 있다. 또한 태양광선을 거의 수직으로 받아야 제대로 된 효율을 내는 기존 태양전지들에 비해 태양광이 적거나 비스듬하게 입사됐을 때 비교적 높은 효율을 낼 수 있는 것도 매우 큰 장점이다.
구성 재료들이 환경에 무해하기 때문에 친환경에너지원이라는 태양광발전의 장점을 더욱 부각시켜 주기도 한다. 무엇보다 다양한 색상과 투과성은 아름다운 외형을 가능하게 하기 때문에 시각적 디자인에 많은 초점을 두는 현대인들에게 매우 매력적으로 다가갈 수 있다.
향후 염료감응태양전지의 연구·개발은 태양광 발전에 획기적인 변화를 가져올 것이다. 가까운 미래에 휴대폰, mp3, 카메라 등의 충전기를 찾느라 고생하는 모습들이 사라질 수 있을지 기대된다.