2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2024 · 문제 9 · 전자기학

과일즙으로 만드는 태양전지 — 주스 태양전지

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2024 문제 9 ‘Juicy Solar Cell’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2024 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「물질의 특성」·「전기와 자기」 / 고등학교 통합과학1 「물질과 규칙성」·통합과학2 「환경과 에너지」 / 화학 「화학 반응의 세계」(산화·환원) / 물리학·진로선택 「전자기와 양자」(빛과 에너지·광전 효과) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

염료 감응 태양전지(DSSC), 그레첼 전지, 안토시아닌, 광증감(광감응), 이산화 타이타늄(TiO₂) 나노입자, 반도체 띠 간격, 전자 주입, 산화·환원, 요오드화물/삼요오드화물(I⁻/I₃⁻) 산화·환원쌍, 전해질, 전도성 유리(FTO/ITO), 광전극·대극, 개방 전압, 단락 전류, 충전율(fill factor), 광전 변환 효율

원리 살펴보기

블랙베리 즙을 바른 유리 두 장이 어떻게 빛을 전기로 바꿀까? 열쇠는 세 가지 재료의 역할 나눔이다. 블랙베리 속 안토시아닌 색소는 빛을 흡수해 들뜬 전자를 만드는 ‘광 안테나’이고, 이산화 타이타늄(TiO₂) 나노입자는 그 전자를 넘겨받아 나르는 ‘반도체 고속도로’이며, 요오드화물/삼요오드화물(I⁻/I₃⁻) 전해질은 전자를 잃은 색소에게 전자를 되돌려 주는 ‘배달부’다. 색소가 빛을 받아 전자를 TiO₂에 밀어 넣고, 그 전자가 바깥 회로를 한 바퀴 돌아 다시 전해질을 거쳐 색소로 돌아오는 닫힌 순환이 곧 전류다.

이 구조는 식물의 광합성을 그대로 흉내 낸 것이다. 색소가 엽록소, TiO₂가 전자 받개, 요오드가 물·산소의 자리를 대신한다. 놀라운 점은 값비싼 초고순도 실리콘 없이도, 흔한 과일즙과 흰 물감 가루(TiO₂)만으로 빛에서 전기를 뽑아낸다는 것이다. 그래서 이 전지는 실리콘 태양전지보다 효율은 낮지만, 재료가 싸고 잘 휘며 흐린 날·실내광에서도 비교적 잘 작동한다. 다만 색소는 오래 빛을 받으면 바래고 액체 전해질은 마르거나 새기 쉬워, ‘얼마나 높은 효율을, 얼마나 오래’ 얻느냐가 진짜 승부처가 된다.

이 원리는 실험실 밖에서도 자란다. 건물 일체형 태양광(BIPV)(반투명 유색 창문이 그대로 발전 패널이 된다), 실내광 사물인터넷(IoT) 전원(형광등·LED 빛만으로 센서·리모컨의 소형 배터리를 대신), 휴대용·웨어러블 발전(가볍고 잘 휘어 가방·의류에 붙인다), 저비용 교육용·개발도상국 발전(값싼 재료로 태양전지의 원리를 가르치고 소규모 전력을 얻는다)에 쓰인다.

실험 설계

준비물

전도성 유리판(FTO/ITO, 시판 DSSC 키트) 2장, 이산화 타이타늄(TiO₂) 나노분말 또는 시판 페이스트, 블랙베리(또는 라즈베리·히비스커스차·석류) 즙, 요오드화 칼륨과 소량의 요오드로 만든 전해질(또는 시판 안전 전해질), 연필심(4B 이상 진한 연필) 또는 시판 흑연 막대, 유리 막대·집게·투명 테이프, 열원(핫플레이트·헤어드라이어형 열풍기·전기오븐), 멀티미터(전압·전류), 가변 저항, 광원(맑은 햇빛 또는 규격 램프), 조도계, (비교용) 소형 실리콘 태양전지, 핀셋, 장갑·보안경 준비.

변인

독립변인은 한 번에 하나만 바꾼다 — 예를 들어 색소 흡착 시간(또는 색소원의 종류, 색소액의 pH, TiO₂ 층의 두께, 입사 광량). 종속변인은 같은 광원·거리·활성 면적에서 최대 출력으로 견주는 전지의 광전 변환 효율과, 이를 이루는 개방 전압·단락 전류·충전율(fill factor)이다. 통제변인은 전도성 유리의 종류와 활성 면적, TiO₂ 소결 온도·시간, 전해질의 조성·양, 대극의 탄소 코팅, 광원의 종류·거리·조도, 측정 온도이다.

실험 순서

  1. 교사가 미리 개어 둔 TiO₂ 반죽(또는 시판 페이스트)을 받아, 전도성 유리의 전도성 면에 테이프로 틀을 잡아 유리 막대로 얇고 고르게 편 뒤, 약 450 ℃로 30분 가열해 다공성 TiO₂ 광전극을 소결한다(열원이 없으면 시판 소결 완료 전극을 쓴다).

  2. 블랙베리를 으깨 몇 방울의 물과 섞어 색소액을 만들고, 식힌 TiO₂ 전극을 담가 색소가 하얀 부분이 남지 않게 짙게 흡착되도록 둔 뒤(예: 10분), 물과 알코올로 헹궈 물기를 닦는다.

  3. 다른 전도성 유리의 전도성 면을 연필심·흑연 막대로 고르게 문질러 탄소 대극을 만들고, 두 유리를 색소 면과 탄소 면이 마주 보게 살짝 어긋나게 포갠 뒤 집게로 고정한다. 가장자리에 요오드 전해질을 한두 방울 떨어뜨려 모세관으로 스며들게 한다.

  4. 광전극 쪽으로 빛이 들도록 놓고 멀티미터로 개방 전압과 단락 전류를 재며, 가변 저항을 돌려 전류–전압 곡선에서 최대 출력점을 찾는다. 독립변인을 하나씩 바꿔 가며 효율을 비교한다.

안전 안내

⚠ 안전

요오드와 요오드 전해질은 자극성이 있다 — 반드시 장갑·보안경을 끼고 환기가 잘 되는 곳에서 다루며, 피부·눈에 닿거나 증기를 들이마시지 않도록 하고 폐액은 하수구에 버리지 말고 따로 모은다(학교라면 시판 안전 전해질로 대체하는 것을 권한다). TiO₂ 나노분말은 들이마시면 해로우므로 계량·반죽은 교사가 환기되는 곳에서 하고, 학생은 개어진 반죽이나 시판 페이스트만 다룬다. 450 ℃ 소결은 화상·화재 위험이 크므로 반드시 교사 지도 아래 내열 장갑·집게로 하고, 뜨거운 유리를 맨손으로 만지지 않는다. 전도성 유리는 모서리가 날카로우니 베임에 주의한다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

색소를 더 오래 흡착시키면(또는 빛을 더 세게 비추면) 효율은 계속 올라갈까, 아니면 어느 지점을 넘으면 더 이상 오르지 않거나 오히려 떨어질까?

자료 정리

조건마다 전류–전압(I–V) 곡선을 그려 개방 전압·단락 전류·최대 출력점을 읽고 효율과 충전율을 계산한다. 그런 다음 가로축을 바꾼 독립변인(색소 흡착 시간·pH·TiO₂ 두께·조도)으로, 세로축을 효율(또는 개방 전압·단락 전류)로 하여 경향을 그래프로 나타낸다. 각 조건을 여러 번 측정해 흩어짐(오차막대)도 함께 표시한다. 조도계는 광원과 거리를 같게 맞추는 확인용이다 — 조도(lux)는 눈의 감도로 가중한 밝기여서 들어온 에너지(W/m²)가 아니다. 그래서 효율의 절대값은 맑은 햇빛(약 800~1000 W/m²)에서 잰 값으로만 어림하고, 실내에서는 같은 광원·같은 거리끼리 상대 비교한다. (수치는 직접 측정으로 채운다 — 여기서는 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

색소 흡착과 광량은 어느 정도까지 효율을 끌어올리지만, 색소가 표면을 다 덮었거나 빛이 너무 세지면 효율이 평평해지거나 색소가 바래며 오히려 떨어질 것으로 예상된다. 또 TiO₂ 층은 너무 얇으면 빛을 덜 잡고 너무 두꺼우면 전자가 회로에 닿기 전에 되돌아가 잃으므로, 효율이 가장 높은 ‘알맞은 두께’가 있을 것으로 보인다. 이는 효율이 색소·반도체·전해질 세 요소의 균형에서 나오며, 어느 하나만 키운다고 좋아지지 않는다는 뜻이다. 개방 전압·단락 전류·충전율을 따로 뜯어보면 효율이 왜 오르내리는지(빛을 덜 잡아서인지, 전자가 새어서인지)를 짚을 수 있어, “효율이 몇 %”가 아니라 “무엇이 효율을 가로막는가”를 말할 수 있다. 천연 색소 전지의 효율은 실리콘 전지보다 훨씬 낮으므로, 절대값보다 조건에 따른 상대적 변화(경향)에 주목하자.

더 탐구하기

  1. 색소원을 블랙베리 → 라즈베리 → 히비스커스차 → 석류로 바꿔, 어느 색소가 가장 높은 효율과 안정성을 주는지 비교해 보자(딸기처럼 TiO₂에 잘 붙지 않는 색소도 있다).

  2. 색소액의 pH를 산성(레몬즙)·중성·염기성으로 바꿔, 안토시아닌의 구조 변화가 흡광과 효율에 주는 영향을 살펴보자.

  3. 만든 전지를 며칠에 걸쳐 반복 측정해, 색소 바램·전해질 마름에 따라 효율이 얼마나 빨리 떨어지는지 기록해 보자.

  4. 같은 전지를 맑은 햇빛·흐린 날·실내 LED 아래에서 재어, 실내광에서의 상대 효율이 실리콘 전지와 어떻게 다른지 비교해 보자.

연결 주제

문제 2 ‘물방울 현미경’ · 문제 17 ‘양자 빛 조광기’ — 빛의 흡수·투과·상을 다루고, 빛에서 얻은 신호(상·그림자·전류)를 정량적으로 재는 같은 접근을 이어서 쓸 수 있다.

참고문헌

[학생] G. P. Smestad & M. Grätzel, “Demonstrating Electron Transfer and Nanotechnology: A Natural Dye-Sensitized Nanocrystalline Energy Converter,” Journal of Chemical Education 75(6), 1998, 752–756 (DOI 10.1021/ed075p752; 즙과 TiO₂, 연필 탄소 대극, KI/I₂ 전해질로 만드는 이 전지의 표준 절차 — 햇빛에서 개방 전압 약 0.3~0.5 V, 단락 전류 약 1~2 mA/cm², 효율 약 0.5~1%로 보고) / NISE Network ‘Dye Sensitized Solar Cell’ Facilitator Guide(nisenet.org; 학교·과학관용 제작 안내) / 영상 검색어 “Grätzel cell blackberry”, “dye sensitized solar cell”. [심화] B. O’Regan & M. Grätzel, “A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO₂ films,” Nature 353, 1991, 737–740 (DOI 10.1038/353737a0; 그레첼 전지의 발명 논문) · F. Teoli, S. Lucioli, C. Forni 외, “Role of pH and pigment concentration for natural dye-sensitized solar cells treated with anthocyanin extracts of common fruits,” J. Photochem. Photobiol. A 316, 2016, 24–30(여러 과일 색소 DSSC의 효율이 pH·색소 농도에 의존; 약 0.14~0.69% 범위) · A. Okello, D. Okello, J. Mwabora 외, “Influence of the pH of anthocyanins on the efficiency of dye sensitized solar cells,” Heliyon 8(7), 2022, e09921 (DOI 10.1016/j.heliyon.2022.e09921; 색소액 pH가 효율을 좌우함을 정량 확인). ※ 위 문헌들은 대개 시판 TiO₂ 페이스트·백금 대극·규격 광원(AM 1.5) 조건을 쓴다 — 학교에서 손으로 편 TiO₂ 층의 두께 균일성, 연필 탄소 대극과 자작 전해질의 재현성, 실내광·자연광에서의 효율과 색소의 안정성이 이 탐구의 개방 지점이다.

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