혁신적인 자연 모방 태양광 시스템, 효율적인 에너지 수확 구현

Seoul율리히 막시밀리안 대학교(JMU) 뷔르츠부르크의 과학자들이 새로운 광수확 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 매우 효과적이며, 식물과 박테리아에서 볼 수 있는 것처럼 가시광선의 전체 스펙트럼에서 빛을 포착할 수 있습니다.

전통적인 빛 수확 시스템에는 여러 가지 한계가 있습니다. 첫째, 실리콘과 같은 무기 반도체는 빛을 약하게 흡수하기 때문에 두꺼운 층이 필요합니다. 둘째, 유기 염료는 효율이 더 높고 훨씬 얇은 층이 필요하지만, 넓은 파장을 커버하지 못합니다.

JMU의 새로운 시스템은 무기 반도체와 유기 염료의 특징을 결합하고 있습니다. 무기 반도체처럼 밴드 구조를 가지고 있어 가시광선 전 범위의 빛을 흡수할 수 있으며, 유기 염료의 뛰어난 빛 흡수 능력도 함께 활용합니다. 따라서 이 시스템은 얇은 층에서 많은 빛 에너지를 포획할 수 있습니다.

새로운 시스템의 주요 특징은 다음과 같습니다:

• 네 가지 메로시아닌 염료가 사용됩니다.
• 염료들은 접히고 밀집하게 배열됩니다.
• 이 배열은 안테나 내에서 매우 빠르고 효율적인 에너지 전달을 가능하게 합니다.

프로토타입은 URPB라 불리며, 이는 네 가지 염료 성분인 자외선(U), 빨간색(R), 보라색(P), 파란색(B)에서 흡수하는 파장을 나타냅니다. 이 새로운 디자인은 전통적인 방법들이 갖고 있는 여러 제약을 극복하여 넓은 범위의 빛을 포착할 수 있게 해줍니다.

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연구자들은 그들의 새로운 빛 수집 시스템을 형광 양자 효율이라는 방법으로 시험했습니다. 이 기술은 시스템이 빛으로 얼마나 많은 에너지를 방출하는지를 측정하여, 얼마나 많은 빛 에너지를 모았는지를 보여줍니다.

새로운 시스템은 받은 빛의 38%를 다양한 색상의 형광으로 전환합니다. 이는 개별 염료가 달성할 수 있는 1%에서 3% 미만보다 훨씬 뛰어납니다. 이러한 개선은 염료 분자가 이 새로운 시스템에서 어떻게 배치되고 결합되는지가 빛을 수집하는 데 매우 효과적임을 보여줍니다.

프랑크 뷔르트너 교수와 율리우스-막시밀리안 대학 유기화학 연구소/나노시스템 화학 센터의 연구팀은 새로운 광 수확 시스템을 개발했습니다. 그들은 물리이론화학 연구소의 토비아스 브릭스너 교수 그룹과 협력하여 이 시스템을 연구하고 실험했습니다.

JMU 팀은 현재의 태양광 시스템에서 흔히 발생하는 문제를 해결할 방법을 찾아냈습니다. 그들은 무기물과 유기물의 장점을 결합하여 보다 효율적인 시스템을 개발했습니다. 이 새로운 시스템은 태양 전지의 무게를 줄이고 효율성을 높일 수 있어 태양 에너지의 활용 방식을 변화시킬 수 있습니다.