자연친화형 염료감응 태양전지

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프로그램 명 자연친화형 염료감응 태양전지

주 제 천연염료의 에너지 분야에 응용하기

수업 목표 염료감응 태양전지의를 염료감응 태양전지 이해하기

권장 학년 / 시기 고등1~3학년/1학기

총 수업시수 4차시

자연친화형 염료감응

태양전지

(3)

▶ 천연염료를 활용분야에 대해 토론한다.

▶ 광합성의 원리와 염료감응 태양전지의 원리를 이해한다 ▶ 염료감응 태양전지에 천연염료를 활용방안에 대해 생각한다.

가. 주제 및 제작 의도

▶ S : 염료감응 태양전지 원리 이해하기

▶ T, E : 염료감응 태양전지 제작과정 이해하기, 천연염료 흡착 이해하기 ▶ A : 염료감응 태양전지 활용방안 창안하기

다. STEAM 과목 요소

상황제시(Co) : 주변에 식물들중에서 천연염료로 사용되는 것들이 어떤 것 있을까? 이런 천연염료들은 어디에 주로 응용되고 있는가? 에너지 분야에 활용할 수는 없을까?

상황제시(Co) : 우리 주변에 태양광 시설은 모두 불투명한 흙갈색이며, 투명한 태양전지 시설은 없을까?

상황제시(Co) : 식물에 엽록소가 빛에너지를 받아 식물이 광합성을 하여 에너지를 만들어 내는데, 염료감응 태양 전지도 빛에너지를 받아 전기에너지를 생성하는데, 천연염료를 염료감응 태양전지에 적용할 수는 없을까?

라. 차시별 STEAM 단계 요소

▣ 내용 목표

▶ 천연염료의 응용처를 설명할 수 있다,

▶ 광합성과 염료감응 태양전지의 원리를 이해한다.

▶ 염료감응 태양전지의 제작과정을 이해한다.

▶ 광합성과 염료감응 태양전지의 유사성을 이해할 수 있다.

▣ 과정 목표

▶ 천연염료의 응용사례를 조사하여 발표 할 수 있다.

▶ 광합성원리와 염료감응 태양전지 원리를 비교하여 설명할 수 있다.

▶ 염료감응태양전지 응용처를 조사하여 발표할 수 있다.

▶ 자연친화형 염료감응 태양전지의 장단점을 유추할 수 있다.

▶ 자연친화형 염료감응 태양전지 제작과정을 통해 천연염료의 에너지 활용가능성에 대해 창의적인 생각을 유도할 수 있다 ▶ 모둠별 활동을 통해 배려심과 협동심을 기를 수 있다.

나. 학습 목표

▣ 1차시

▶ 창의적 설계(CD) : 천연염료는 어디에 이용될까? 생각해보자.

▶ 창의적 설계(CD) : 식물은 어떻게 에너지를 형성할까?

▶ 감성적 체험(ET) : 천연염료를 에너지 생성에 이용할 수 있는 방법을 광합성원리를 통해 생각해보자

▣ 2차시

▶ 창의적 설계(CD) : 염료감응 태양전지가 무엇인가?

▶ 창의적 설계(CD) : 염료감응 태양전지원리를 이해하고 장단점을 토의한다.

▣ 3차시

▶ 창의적 설계(CD) : 염료감응 태양전지 제작과정을 이해한다.

▶ 감성적 체험(ET) : 염료감응 태양전지에 천연염료를 이용할 수 있을까?

▶ 창의적 설계(CD) : 염료감응 태양전지 제작과정에서 천연염료의 적용단계를 확인하고, 흡착과정 및 다양한 변수에 대해 생각한다.

▣ 4차시

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마. 차시별 교육 총괄표

차시 주제 단계 시간(분) 학습 내용

1 차시

천연염료 이해 하기

- 천연염료의 응용분야 이해 하기

- 광합성 원리 알기

도입 15

▣ 천연염료는 무엇일까?

- 주변에 색소를 갖는 식물들 토론하기 - 천연염료 종류에 대해 알기

전개 20

▣ 학습활동 1

- 천연염료가 어디에 활용될 수 있는지 생각해보자.

- 천연염료를 활용하기 위해 색을 갖는 식물들을 이용할 수 있을까?

- 천연염료를 이용하는 사례들에 대해 토의한다.

정리 15

▣ 천연염료를 에너지원으로서 이용할 수 있도록 광합성 반응과 연계하여 설명한다.

- 광합성 원리를 이해할 수 있다.

2 차시

염료감응 태양 전지 소개 - 염료감응 태양전지 이해하기

도입 25 ▣ 염료감응 태양전지라는 것이 무엇일까?

- 동영상 학습자료 확인

전개 25

▣ 학습활동1

- 염료감응 태양전지에 대한 기사를 조사해 본다.

▣ 학습활동2

- 염료감응 태양전지의 원리에 대해 이해한다.

- 염료감응 태양전지의 특징 및 장단점 토의한다.

정리 10 ▣ 학습활동 1

- 염료감응 태양전지 활용 방안에 대한 아이디어를 창안하고 발표한다.

3 차시

자연친화형 염료감응 태양전지 제작과정 설명 - 염료감응 태 양전지 제작과 정 이해하기 - 천연염료의

염료감응 태양 전지 적용하기

도입 10 ▣ 염료감응 태양전지에서 천연염료를 어떻게 이용할까?

전개 25

▣ 학습활동1

▣ 학습활동2

- 천연염료를 적용단계에 대해 설명하고, 과정을 이해한다.

- 광전극에 염료를 흡착시키는 과정을 이해한다.

정리 15

▣ 학습활동1

- 염료감응 태양전지에 천연염료를 적용하는 단계에서 다양한 변수들에 대해 토론한다.

4 차시

광합성과 자연 친화형 염료감응 태양전지 비교 하기

- 광합성과 자연 친화형 염료 감응 태양전지

도입 10 ▣ 광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지와 유사성이 있을까?

전개 25

▣ 학습활동1

- 광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지 원리를 비교한다.

- 다양한 색을 구현할 수 있는 자연친화형 염료감응 태양전지에 대해 토론한다.

정리 15

▣ 학습활동1

- 미래의 자연친화형 염료감응 태양전지의 활용에 대해 발표한다.

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바. 차시별 교수학습과정

자연친화형 염료감응 태양전지

일시 장소 대상 고등 1~3 차시 1/4 수업자

주제 천연염료 이해하기

학습

목표 천연염료에 대해 알아보고 광합성과 연계해서 에너지분야에 적용가능성을 상상한다.

교육 과정

관련교과 STEAM 성취목표 STEAM 요소

과학, 국어, 미술 천연염료 응용분야 이해하기 광합성 반응 알기

과학(S), 기술(T), 예술(A) 차시별 계획 총괄표

과정 소

주제 교수·학습 활동 STEAM

요소

학습 자료/

유의점

상황 제시 (15분)

천연염료는

무엇일까? Co 계절에 맞춰 주변에 식물들(꽃잎 등)을 다양한 색을 띠며, 이런 소재 들이 천연염료의 소재임을 생각해 볼 수 있도록 유도한다.

식물 뿐만아니라 우리주변의 다양한 재료들이 천연염료로 사용할 수 있 음을 설명한다(동물성 염료-오징어먹물, 광물성 염료-황토)

S, T, A 워크북 교재

창의적 설계 (25분)

천연염료는 어디에 활용할 수

있을까?

(CD)(ET) 학습활동1

- 우리 주변에서 천연염료가 주로 어디에 활용되는지 이야기해 보자.

(음식, 옷염색등)

- 천연염료를 활용하기 어떤식물들이 무슨 색의 염료를 만들어 낼 수 있을까?

(녹차-녹색, 치자황-노란색, 지차정-청색, 봉숭아- 주황색) - 천연염료를 이용하는 사례들에 대해 토의한다.

감성적 체험 (15분)

천연염료를 에너지원 으로 사용할

수 있을까?

- 광합성원리에 대해 설명하면서, 식물의 엽록체에는 엽록소가 있는데 빛을 받아 에너지원을 갖는다.

- 천연염료도 빛을 받아 에너지를 생성할 수 있지 않을까?

지도상의

유의점 ▶ 천연염료가 에너지원으로 활용할 수 있음을 광합성원리와 연계해서 이해할 수 있도록 지도한다.

상황제시(Co) : 주변에 식물들중에서 천연염료로 사용되는 것들이 어떤 것 있을까? 이런 천연염료들은 어디에 주로 응용되고 있는가? 에너지 분야에 활용할 수 없을까?

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주제 염료감응 태양전지 소개

학습

목표 염료감응 태양전지 원리 및 구조를 이해하고, 활용분야에 대해 알아본다.

교육 과정

과학, 국어, 미술 염료감응 태양전지 원리/구조를 이해한다.

염료감응 태양전지의 활용분야 대해 토론한다.

과학(S), 기술(T), 예술(A) 차시별 계획 총괄표

과정 소

요소

학습 자료/

유의점

염료감응 태양전지란

무엇일까?

우리 주변에 태양광이 많이 설치되어 있음을 설명하면서, 현재 상용화 되어있는 태양전지는 1세대(실리콘 태양전지) 이다. 미래 지향적인 3세대 태양전지 중 염료감응 태양전지는 유리 기판을 이용하기 때문에 투명함을 설명한다. 그리고 염료감응 태양전지가 무엇인지 쉽게 이해할 수 동영상을 상영한다.

- https://youtu.be/EzeEHgLuQuA

염료감응 태양전지의

장단점 및 특성 알아가기

동영상을 통해 먼저 염료감응 태양전지를 알아본다.

https://www.youtube.com/watch?v=rurR251-z9Q

- 염료감응 태양전지에 대한 기사를 통해 일반적으로 어디에 응용할 수 있는지 조사한다.

- 염료감응 태양전지의 원리를 동영상을 상기시켜가며 설명하며, 구조에 대해 간단히 설명한다.

- 염료감응 태양전지의 특징 및 장단점 토의한다.

염료감응 태양전지 활용방안에 대해 생각하기

- 염료감응 태양전지 활용 방안에 대한 실생활 등에 어떻게 응용하면 다가오는 미래사회에 적용제품을 개발할 수 있을지에 대한 아이디어를 창안하고 발표한다.

지도상의 유의점

▶ 염료감응 태양전지는 투명하고 다양한 색을 띨 수 있다면, 미적요소가 가미된 창문으로 활용될 수 있음을 지도한다.

상황제시(Co) : 우리 주변에 태양광 설비는 모두 불투명한 흙갈색이며, 투명한 태양전지 시설은 없을까?

(7)

주제 자연친화형 염료감응 태양전지 제작과정 알기

학습 목표

- 염료감응 태양전지 제작과정 이해하기 - 천연염료의 염료감응 태양전지 적용하기

교육 과정

과학, 국어, 미술

- 천연염료를 염료감응 태양전지에 적용이 가 능하며, 천연염료를 어떻게 적용하고, 효과적 으로 이용할 것인가에 대해 이해한다.

과학(S), 기술(T), 예술(A)

차시별 계획 총괄표

과정 소

요소

학습 자료/

유의점

천연염료를 태양전지에 이용하기

염료감응 태양전지가 식물의 광합성원리와 유사함을 설명한다. 식물이 생장은 광합성에 의한 것인데, 엽록체의 엽록소에 빛에너지가 반응함을 설명하면서, 천연염료를 염료감응 태양전지에 적용할 수 있음을 설명한다.

(광합성반응에서 엽록소가 염료감응 태양전지에서 염료이고, 천연염료를 활용 수 있음을 유도)

염료감은 태양전지 제작과정 및

구조 이해하기

- 염료감응 태양전지의 제작과정 구조를 PPT를 이용하여 설명한다.

- 광전극에 염료 흡착과정을 자세히 설명하기(여기서 사용하는 염료가 광합성에서의 엽록소 역할임을 확인시키기)

- 천연염료를 적용단계에 대해 설명하고, 과정을 이해한다.

(광전극에 염료를 흡착시킴)

- 광전극에 염료를 흡착시키는 과정을 이해한다.

(몇 가지 샘플 보여주고 관찰하기)

염료감응 태양전지 활용방안에

대해 생각하기

- 염료감응 태양전지에 천연염료를 적용하는 단계에서 다양한 변수들에 대해 설명하기

( 염료농도에 따라 흡착 후 색의 명도가 달라지며 흡착시간, 온도에 따라 색이 달라짐- 이해를 돕기 위하여 황토를 이용하여 옷감을 염색하는 하는 것을 비유하여 설명함)

지도상의

유의점 ▶ 흡착에 대한 개념을 정립시킨다.

상황제시(Co) : 천연염료를 염료감응 태양전지에 이용할 수 있을까?

(8)

주제 광합성과 자연친화형 염료감응 태양전지 비교하기

학습 목표

광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지의 원리 및 구조를 비교하여 설명할 수 있다.

교육 과정

과학, 국어, 미술 광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지의 원리 및 구조를 이해하교 그림을 그려 비교한다.

과학(S), 기술(T), 예술(A)

차시별 계획 총괄표

과정 소

요소

학습 자료/

유의점

광합성원리와 자연친화형

염료감응 태양전지와

유사성이 있을까?

- 2차시에 보여준 동영상을 상기시키며, 염료감응 태양전지가 광합성 원리와 유사함을 상기시킨다.

- 필요시 동영상에에서 광합성원리 유사부분만 다시 보여줌

광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지의 원리 및 구조

비교하기

▣ 학습활동1

- 광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지 원리를 비교한다 (구조를 그려서 각각 중요부분 및 역할을 을 연결시킨다)

- 다양한 색을 구현할 수 있는 자연친화형 염료감응 태양전지에 대해 토론한다.

(치자황-노란색, 치자청-청색, 녹차-그린 등등의 색을띠는 염료감응 태양전지 제작 가능)

미래지향적 염료감응 태양전지 및 이와 연계된 미래 에너지

기술

- 미래의 자연친화형 염료감응 태양전지의 활용에 대해 토론한다.

- 염료감응 태양전지와 연계된 에너지기술을 이해한다.

https://www.youtube.com/watch?v=xIDe7mXTytc

지도상의 유의점

▶ 천연염료감응 태양전지는 미래의 산업화 기술이라는 것을 설명하며 에너지기술(에너지저장)과 연계하여 설명한다.

상황제시(Co) : 식물의 광합성원리를 연계하여 자연친화형 태양전지를 이해할 수 있지 않을까?

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사. 평가계획

평가 영역

평가 기준

평가 방법

과정평가

지식 천연염료 종류/응용 및 에너지 분야 적용가능성을 이해한다.

자기평가 기능 광합성원리와 염료감응 태양전지의 원리 및 구조를 비교한다.

태도 자연친화형 염료감응 태양전지의 활용분야에 대해 토론한다.

기능 산출물을 만드는 과정에서 창의적인 아이디어를 제시하였다.

태도 토론과정에 대해 적극적으로 참여하였다. 동료평가

결과평가 지식 광합성원리와 염료감응 태양전지의 원리 및 구조를 이해하며 설명

할 수 있다. 산출물

태도 산출물 제작 의도와 과정, 결과를 발표할 수 있다. 평가

(10)

일 자 년 월 일 장 소

학 년 이 름

꽃과 염료의 분말 사진을 비교하자

◆ 천연염료란 무엇인가?

자연의 들꽃, 열매, 나뭇잎, 뿌리, 황토등에서 얻을 수 있는 색소를 천연염료라 한다.

천연염료의 종류에는 식물성염료(식물의 잎, 꽃, 열매의 즙), 광물성 염료(황토, 숯, 적토, 흑토 등), 동물성 염료(동물의 피, 오징어 먹물등) 등이 있다.

◆ 천연염료는 어디에 활용될 수 있을까?

천연염료는 일상생활에서 미용, 식품 등 다양한 분야에 활용된다. 천연염료를 이용하여 모발 염색 및 천(옷) 염색, 화장품, 헤나 그리고 봉숭아 물을 이용한 손톱염색등 미용관련 하여 많이 활용된다. 또한 식품의 첨가제 및 최근 들어 우리나라 전통음식을 대표할 수 있는 떡에 천연색소를 넣어 색과 맛을 내는데 사용한다.

◆ 우리 주변에서 사용할 수 있는 천연염료들을 토론해 본다

식물성 염료로는 양파, 칡, 도토리 등이 있고 광물성에는 돌이나 흙, 황토등이 있다.

마지막으로 동물성 염료에는 코치닐과 티리언 퍼플이 있다.(코치닐:선인장에 서식하는 벌레를 이용, 티리언 퍼플 : 바다 달팽이의 분비물 이용)

< MISSION >

(11)

◆ 광합성 원리에 대해 이야기해 본다.

엽록소(또는 클로로필)는 광합성의 핵심 분자로써 빛을 받아들이는 수용체 역할을 하며, 광합성을 하는 모든 식물에 존재하고, 비율도 높아 가장 중심적인 기능을 한다.

광합성의 에너지는 궁극적으로 흡수된 광자에서 오는 것이지만 실제로는 환원제의 환원력을 사용한다. 빛 에너지는 화학에너지 형태로 전환되어 탄소고정에 쓰인다. 식물의 전체 광합성 반응식은 다음과 같다.

포도당을 포함한 6탄당과 전분이 만들어지며 주로 포도당이 생성되기 때문에 광합성을 나타내는 반응식은 흔히 다음과 같이 나타낸다.

6CO2 + 12H2O + 빛 에너지 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

즉, 광합성이란 빛에너지를 이용하여 물과 이산화탄소를 포도당과 산소와 물로 만드는 것이다.

◆ 천연염료를 에너지에 응용할 수 있는것에 대해 토론해 보자

염료감응 태양전지 : 유기염료와 나노기술을 이용하여 고도의 에너지 효율을 갖도록 개 발된 태양전지

기존 염료감응 태양전지에서 사용하고 있는 합성된 염료를 우리 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 꽃, 식물 등의 자연으로부터 추출이 가능한 천연 염료를 사용한 자연친화 적 염료감응 태양전지를 제작하여 그 가능성을 확인할 수 있다.

[천연 염료를 사용한 자연친화적 태양전지]

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◆ 천연염료를 에너지에 활용하는 것에 광합성 원리와 연결하며 토론해 보자.

염료감응 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cells)는 일종의 신재생 에너지로 식물 광합성 원리를 응용한 기술이다.

식물이 빛의 흡수를 위해 엽록소를 이용하듯 염료감응형 태양전지에서는 나노스케일 염료 분자를 사용한다. 이 염료분자로는 주로 (이산화 티타늄)가 쓰인다. 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양빛이 흡수되면 염료분자는 전자를 내놓는다. 이 전자가 여러 경로를 통해 투명 전도성 기판으로 전달되어 최종적으로 전류를 생성한다. 전류생성을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양 전지를 순환하게 된다.

< MISSION >

<출처 : https://youtu.be/EzeEHgLuQuA>

<출처 https://www.youtube.com/watch?v=rurR251-z9Q>

(13)

◆ 염료감응 태양전지의 원리 및 구조를 설명해 본다.

염료감응 태양전지는 투명한 전극에 붙는 산화타타늄 입자와 입자를 착색하는 염료, 그리고 전해액으로 구성됩니다.

1) 빛이 닿으면 염료에서 전자가 나옵니다. 2) 산화티타늄 입 자를 지나 외부로 전자가 흘러나갑니다. 3) 외부회로를 흐른 전자는 최종적으로 전해액으로 되돌아 옵니다.

◆ 염료감응 태양전지가 주로 어디에 활용하는지에 대해 토론해 본다.

(14)

1) 특징 : 식물의 엽록소가 햇빛을 받아 광합성을 하는 원리를 응용한 것인데, 햇빛을 받으면 전자를 만드는 특수 염료를 흡착해 발생한 전자를 외부 전극에 전달하는 방식으로 전류를 공급하다.

2) 장단점

· 전기 변환 효율이 기존의 태양전지에 비해 낮지만 저렴한 유기 염료와 전해질, 유리 혹은 필름 기판으로 이루어지므로 제조공정이 간단하고 투입비용이 적다.

· 환경적으로 유해하지 않은 물질을 사용함으로 친환경적이고 폐기 시 공해를 발생시 키지 않는다.

· 투명성을 지니고 있어 사용 염료에 따라 다양한 색상이 가능하며 흐린 날씨나 직사 광선이 아니더라도 가동되기 때문에 건물과 일체형으로 설치할 수 있다.

◆ 염료감응 태양전지의 특징 및 장단점을 토론해본다.

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◆ 염료제조

에탄올 15mL 에 염료분말 0.2g을 넣은 후 24시간 교반한 다음 거름종이로 불순물 걸러서 염료용액을 제조한다.

◆ 염료감응 태양전지 제작 과정

< MISSION >

천연염료를 염료감응 태양전지의 염료로 사용하기

[ 치자적, 적양배추, 카카오, 치자청, 헤나, 홍화황, 치자청, 코치닐. 락, 홍국 생쪽 염료사진 ]

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에탄올에 녹는 염료용액에 미라 만들어진 광전극을 24시간 담가 흡착시킨 후 꺼내어 에탄올로 한번 세척한 후 상온에서 용매를 제거하면 천연염료가 흡착된 광전극이 제조된다.

에탄올에 녹는 염료용액에 미라 만들어진 광전극을 24시간 담가 흡착시킨후, 꺼내어 에탄올로 한번 세척한 후 상온에서 용매를 제거하면 천연염료가 흡착된 광전극이 제조된다.

◆자연친화형 염료가 흡착된 광전극 만들기

(광전극의 염료 흡착 사진)

(에탄올에 잘 용해된 예시 )

홍화항, 치자청, 코치닐, 락, 적양배추, 생쪽, 헤나, 홍국

(에탄올에 잘 용해되지 않는 예시) 치자적, 치자청, 카카오

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광합성반응이란 식물이 태양빛을 이용하여 물과 이산화탄소로부터 생물의 에너지원인 탄수화물을 생산는 것을 말한다. 광합성은 크게 명반응과 암반응으로 구성돼 있다. 명반 응은 엽록소와 효소 등으로 이루어진 엽록체에서 일어난다. 엽록소는 태양빛을 흡수하면 에너지적으로 들뜬 상태가 된다. 이 들뜬 에너지는 주변으로 높은 에너지의 전자를 전달해 일련의 화학반응을 일으키게 한다. 이러한 화학반응을 통해 식물은 물을 분해해 산소를 생성한다. 뿐만 아니라 다양한 화학반응의 에너지원인 ATP와 NAD(P)H를 만들게 된다.

이렇게 생성된 ATP와 NADPH는 암반응 과정(캘빈회로, calvin cycle)을 통해 이산화 탄소로부터 탄수화물을 합성하는데 이용된다.

천연 염료감응형 태양전지에서는 천연염료 분자를 사용한다. 이 천연 염료분자로는 주로 (이산화 티타늄)가 쓰인다. 표면에 염료분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양빛이 흡수되면 염료분자는 전자를 내놓는다. 이 전자가 여러 경로를 통해 투명 전도성 기판으로 전달되어 최종적으로 전류를 생성한다. 전류생성을 마친 전자는 다시 염료분자의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

◆ 광합성원리와 자연친화형 염료감응 태양전지 비교하기

< MISSION >

미래사회의 나만의 자연친화형 염료감응 태양전지

<좌> 광합성원리 <우> 염료감응 태양전지 원리

<광합성과 천연염료감응 태양전지 비교>

광합성반응 천연염료감응 태양전지

엽록소 천연염료

엽록체 광전극

탄수화물 합성 전류생성

빛에너지→화학에너지 (전자의 이동) 빛에너지→전기에너지 (전자의 이용)

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건물 외벽과 유리창 등에 활용이 가능해 현재 BIPV(Building Integrated Photovoltaic System : 건자재 일체형 태양발전시스템)로 상용화 진행중이다.

◆ 미래사회에 염료감응 태양전지가 어떻게 적용할 수 있는 지 상항해 보고, 토론해 본다.

◆ 염료감응 태양전지가 우리집에 창문에 적용한다고 했을 때 원하는 색을 상상하며 디자인해 본다.

출처 : http://www.hi-energy.co.kr/modules/board/bd_view.

html?no=7&id=board_03&or=bd_order&al=asc&p=3

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<TIP>

◆ 자연친화형 염료감응 태양전지 기술을 이용하여 미래의 나만의 창문 만들어 본다.

천연염료 태양전지 셀을 이용하여 디자인해 보기

출처: http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2008071802010251630005

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교사지도자료(읽어보기)

태양전지 알아보기

태양전지는 광기전력 효과(Photo Voltanic Effect)를 이용하여 빛에너지를 직접 전기 에너지로 변환 시키는 반도체 소자이다. 광기전력 효과란 반도체의 p-n접합부나 정류작용이 있는 금속과 반도체의 경계면에 강한 빛을 입사시키면, 반도체 중에 만들어진 전자와 정공이 접촉전위차 때문에 분리되어 양쪽 물질에서 서로 다른 종류의 전기가 나타나는 현상을 말한다.

태양전지는 실리콘에 붕소를 첨가한 P형 반도체 위에 인을 확산시켜 N형 실리콘 반도체 층을 형성 해서 만들어진다. 표면과 후면에 전극이 있는데 후면 전극은 전체에 걸쳐 형성되어 있고 전면 전극은 빛이 통과할 수 있도록 총 면적의 5~15% 정도 형성되어 있다. 전극 위에는 빛반사를 방지하는 반사 방지용 산화막이 코팅되어 있다.

태양전지에 빛이 입사되면 반도체 내의 전자와 정공이 여기되어 반도체 내부에서 자유롭게 이동 한다. 이동하다가 PN 접합에 의해 생긴 전계에 들어오면 전자는 N형 반도체에, 정공은 P형반도체에 이르고 전극을 통해 내부의 전자가 외부 회로로 흐르면 전류가 발생된다. 태양전지는 결국, 실리콘 반도체의 일종 이라고 볼수있다. 그러나 가장 큰차이점은 회로가 아니어서 포토, 식각 등의 공정이 필요없고, 이 때문에 셀 제조과정에서의 부가가치가 반도체에 비해 떨어진다. 그만큼 소재의 효율성 등 특성이 반도체보다 더욱 부각된다.

태양전지란 1

[태양전지 구조]

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태양전지의 필요성 장단점 비교 3

태양전지 종류

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염료감응 태양전지 알아보기

노벨상 수상자인 미국 라이스 대학의 Smalley 교수는 에너지 문제 해결이 미래 인류의 첫 번째 과제라고 발표하였다. 또한 지속 가능한 방법으로 지구의 환경을 보호하며, 전 세계 에너지 수요를 충족시키는 것은 가장 어렵고 중요한 문제이다. 이러한 에너지 및 환경오염 문제점을 해결하기 위하여 태양, 풍력, 조력, 수력, 지열 등 다양한 청정 자연 에너지원 중에서 태양은 지구에서 소비하는 총 에너지의 10,000배의 무한한 에너 지를 제공하여 태양 에너지의 활용은 지구의 환경과 에너지 문제 해결에 매우 중요하다.

태양전지의 필요성(염료감응 태양전지 중심) 1

태양전지는 무한한 청정에너지인 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 것으로 실리콘 태양전지가 현재 에는 대부분을 차지하고 있다. 그러나 실리콘 태양전지를 활용한 전기에너지는 수력, 원자력, 화력 등 다른 발전에너지원에 비해 훨씬 더 발전 단가가 높은 문제점이 있다. 이와 같이 기존 실리콘 태양전지의 가격 문제점을 해결하고자 최근 들어 박막 태양전지에 대한 관심이 급증하고 있으며 미래의 태양전지 기술로 가격 경쟁력이 있는 박막 태양전지 연구가 집중되고 있다. 박막 태양전지에는 CIS, 비정질 실리콘, CdTe, 염료감응 태양전지 등이 있는데, 이 중 특히 염료 감응 태양전지는 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 다른 종류의 박막 태양전지들 보다 고도의 에너지 효율을 낼 수 있기 때문에 좀 더 관심을 갖게 되었고, 그것이 바탕이 되어 염료 감응 태양 전지에 대한 실험을 진행하게 되었다.

염료감응 태양전지를 구성하고 있는 주요 소재는 나노입자 이산화티탄, 합성된 염료, 그리고 전해질로 이루어져 있다. 기존 염료감응 태양전지는 빛을 흡수하여 전자를 방출하는 핵심소재로서 합성염료인 루세늄계(Ru) 염료를 사용하고 있다. 현재까지의 연구 결과는 합성된 Ru염료를 사용한 경우에 태양광으로 부터 전기에너지를 변환하는 에너지 변환 효율이 높아 태양전지로서 역할을 하는 것으로 알려져 있다.

하지만 이러한 합성염료의 사용은 염료감응 태양전지의 수명이 다했을 경우, 처리하는 과정에서 많은

환경적 피해를 가져오게 된다. 환경문제를 중요하게 생각하는 현재 시점에 이런 문제는 다른 어떤 문제보다

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염료감응 태양전지 셀 제작과정 2

<염료감응 태양전지 제조 방법>

<염료감응 태양전지 제작 실험 과정>

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<에너지변환효율 측정>

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<천연염료의 특징>

천연염색이 가지고 있는 특성은 합성염료가 나타낼 수 없는 아름다운 색을 표현할 수 있고, 주변에서 쉽게 재료를 구할 수 있으며 기능성과 환경친화적이라는 장점을 가지고 있는 반면, 동일한 염색재료 라도 생산지역이나 채취시기, 보관방법 등에 따라 색상이 달라질 수 있으며 염색하고자 하는 직물의 종류와 조직, 매염제의 종류와 매염 방법에 따라서도 다양한 색상을 나타낼 수 있다 (염색재료 및 매염제에 따란 견뢰도(일광, 세탁, 땀) 차이가 크며 날염이 어렵다. 날염이란: 피륙에 부분적으로 착색하여 무늬가 나타나게 염색하다)

<천연염료의 일반적 분류 종류>

천연염료 특징 및 종류 3

광물성 염료:

흙을 이용한 염색 (그림, 건축에

주로 사용)

무기성 안료 (황토, 연단, 주,

군청, 감청)

산화물 혹은 황화물을 말함(물에 풀어서 채색하면 금방 벗겨져 찹쌀미음이나 아교, 동물의 기름등을 전착제로 사용, 현재는 콩즙응 이용하고 있다. )

유기성안료 (남납 (즉 남봉채 라고도 함).

홍, 코치닐)

일반적으로 수지라 부르는 것으로 용해된 염료에 조제를 가해 추출하여 수용 성이 되도록 한 것이다.

홍: 황화의 홍색소를 알칼리로 추출하여 초산으로 중화시킨것으로 셀룰로오 스에 흡수시켜 구연산등으로 발색, 수세한 후에 다시 탄산칼륨으로 색소분을 용해하여 셀룰로오스에서 분리하여 구연산으로 침전을 만들어서 적색소를 얻는다.

코치닐수지: 선인장에 기생하는 벌레를 분말로 만든 홍색의 안료 및 염료이다.

식물성 염료:

초목의 잎, 가지, 꽃, 뿌리, 열매

등을 이용하여 염색하는 것

직접염료 (치자, 황백, 사프란울금)

염료의 가용성 색소를 추출, 그 염액에 섬유를 담가서 염료하는 염료 (주로 식물의 꽃, 잎, 뿌리, 수피의 심재, 열매를 가늘게 부수고 물에 달여서 추출함) 건염염료

(요람, 인도남, 숭남, 대청,

유구남, 보라조개, 쪽)

성분이 주로 인돌유도체이다. 건염염료 염색은 불용성 색소를 알칼리로 환원 시켜 염색한 다음 공기중에서 산화시켜 본래의 불용성 색소로 돌아가게 하는 견뢰도가 높은 염색방법이다. (대표적인것으로 남(쪽)염이 있다.)

염기성염료 (황벽, 황련)

주성분은 거의 베르베린을 함유. 다른 염료와 혼합하면 침전을 일으키고 동물성 섬유에는 염색이 잘 이루어지는 반면 식물성 섬유에는 탄닌산 선매염 과정을 거쳐야만 염색이 잘 이루어 진다.

화염계염료 (봉선화, 산남,

딸기, 홍화)

성분은 안토시안류와 함께 산남의 경우에는 클로로필, 홍화는 칼콘유도체 성붑으로 반드시 매염제에 의해 염색이 이루어 진다.

동물성 염료 (보라조개, 연지충, 오배자)

가지수가 적고 염료재료 자체도 국내에서는 희귀하여 사용이 매우 드물며 일부 수입하여 쓰고 있는 형편

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<천연염료의 색계열에 따른 분류>

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