핀란드 과학자들은 최근 태양전지의 수명을 연장하고 석유 기반 플라스틱에 대한 의존도를 줄일 수 있는 새로운 바이오 기반 소재를 개발했습니다. 투르쿠 대학이 이끄는 연구팀은 알토 대학 및 Wageningen 대학과 협력하여 적양파 껍질 추출물을 함유한 나노셀룰로오스 필름이 UV 차단 측면에서 기존의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 보호 필름보다 우수하다는 것을 입증했습니다.
태양전지는 자외선에 노출된 후 점차 열화되어 염료 감응형 전지와 같은 전해질 층을 손상시킵니다. 이를 위해 제조업체에서는 보호를 위해 폴리불화비닐(PVF)이나 PET와 같은 폴리머 코팅을 사용하는 경우가 많지만 이러한 재료는 화석 연료에서 파생되므로 쉽게 분해되지 않습니다. 이 연구의 목표는 재생 가능한 셀룰로오스 기반 재료가 동일한 보호 효과를 얻을 수 있는지 여부를 조사하는 것입니다.
연구팀은 나노셀룰로오스를 기본으로 선택하고 나노규모의 섬유를 추출해 필름을 만든 뒤 천연 자외선 흡수제(리그닌, 철이온, 적양파껍질 추출물 등)로 처리했다. 세 가지 모두 이전에 자외선을 차단할 수 있는 잠재력이 있었지만, 장기적으로 체계적인 비교를 실시한 것은 이번 연구가 처음이다.
결과는 적양파 껍질 추출물을 함유한 필름이 가장 좋은 성능을 발휘하는 것으로 나타났습니다. 테스트 결과, 이 필름은 400나노미터 이하의 자외선을 99.9% 차단하고, 650~1100나노미터 대역의 빛 투과율은 80% 이상 유지하는 것으로 나타났습니다. 태양광 발전에는 가시광선과 근적외선의 높은 투과율을 유지하는 것이 중요합니다.
연구진은 염료감응형 태양전지를 필름 아래에 놓고 인공 햇빛에 1,000시간(중부 유럽의 1년 야외 햇빛에 해당) 노출시킨 후 필름과 배터리의 성능과 외관을 계속해서 관찰했다. 그 결과, 적양피막은 약간의 변색만 나타나며 기본적으로 광학적 특성을 유지하여 항상 배터리를 효과적으로 보호할 수 있었습니다. 이에 반해 철이온 처리된 막은 초기에는 빛을 잘 투과시키지만 이후 급속히 열화된다. 리그닌막은 자외선 차단 능력이 강하지만 색상이 짙어 가시광선 투과율에 큰 영향을 미칩니다.
투르쿠 대학의 박사과정 연구원인 Rustem Nizamov는 장기간의 테스트를 통해 다양한 바이오 기반 멤브레인의 안정성에 상당한 차이가 있음이 밝혀졌다고 말했습니다. "이 연구는 UV 필터에 대한 장기 테스트의 중요성을 강조합니다. 다른 바이오 기반 필터는 시간이 지남에 따라 UV 차단 및 빛 투과율에 분명한 변화가 있습니다."
이 연구는 특히 UV 분해에 민감한 염료 감응형 태양전지에 중점을 두고 있습니다. 연구팀은 이번 결과가 페로브스카이트 및 유기태양광 기술에 적용 가능하다고 지적했다. 이러한 최첨단 태양전지는 안정적인 UV 차단 기능도 필요하며 현재는 비분해성 플라스틱을 사용하고 있습니다. 양파 껍질과 같은 식물 폐기물로 만든 보호 필름은 내구성이 있을 뿐만 아니라 지속 가능성의 이점도 제공합니다.
이번 연구는 천연자원을 활용한 부가가치 제품을 개발하려는 핀란드 산림 및 재료 산업의 노력의 일환입니다. 투르쿠대학교 재료공학과 카티 미에투넨(Kati Miettunen) 교수는 산림산업계에서는 태양전지 등 전자분야의 핵심 부품이 될 것으로 예상되는 새로운 고부가가치 제품 개발을 희망하고 있다고 지적했다.
팀은 미래에 이 완전 생분해성 물질이 일회용 센서나 스마트 포장과 같이 재활용이 불가능한 제품에 사용될 수 있을 것으로 예상하고 있습니다. 석유 기반 보호층을 천연 색소로 강화된 나노셀룰로오스로 대체하면 태양 에너지 기술의 지속 가능한 발전을 촉진할 뿐만 아니라 응용 시나리오 확장에도 도움이 됩니다.
이 연구는 핀란드 연구위원회가 자금을 지원하는 BioEST 프로젝트의 지원을 받았으며 결과는 ACS Applied Optical Materials 저널에 게재되었습니다.