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태양 패널을 더 저렴하고 더 효율적으로 만들 수 있게 하는 새로운 재료
연구소 2013-12-16 4267
미국 연구진은 태양 패널을 더 저렴하고 더 효율적으로 만들 수 있게 하는 새로운 재료를 개발했다. 새로운 세라믹 재료로 만들어진 독특한 태양 패널은 지속 가능한 전력을 더 저렴하고 더 효율적으로 제공하고 더 적은 제조 시간을 필요로 할 수 있다. 또한 이것은 자외선 광이 아니라 가시광선과 적외선 광에서 에너지를 수집할 수 있는 벌크 광전지 재료를 개발할 수 있게 할 것이다. 태양전지 패널을 이 새로운 디자인으로 대량 생산할 수 있다면, 전기를 발생시키는 다른 수단과 비교할 때, 저렴한 비용으로 태양 전력을 만들 수 있게 하는데 큰 도움을 줄 수 있을 것이다. 또한 이것은 국가 전력망(power grid)의 3분의 1을 풍력과 태양광이 담당할 수 있게 하는 국가적인 목표를 달성하는데 도움을 줄 것이다. 펜실베이니아 대학(University of Pennsylvania)과 드렉셀 대학(Drexel University)의 연구진에 의해서 개발된 새로운 재료 때문에 저렴한 태양 전력을 얻는데, 더 근접하게 되었다. 이 연구는 미 에너지부의 아르곤 국립 연구소(Argonne National Laboratory)에서 진행하는 프로젝트의 일환으로 실시되었다. 이번 연구진은 3개의 주요 장점을 가진 새로운 종류의 세라믹 재료를 만들었다. 첫째, 이것은 현재의 실리콘 기반의 시장에서 사용하는 재료보다 더 얇은 태양 패널을 만들 수 있게 한다. 두 번째, 이것은 현재의 첨단 박막 태양 패널에서 사용되는 것보다 더 저렴한 재료를 사용한다. 세 번째, 개발된 재료는 강유전체인데, 이것은 극성을 전환시킬 수 있다. 태양 전지가 낮은 효율을 가지는 이유 중의 하나는 태양으로부터 수집된 입자들이 태양 전지에 들어가서 모든 방향으로 분산되기 때문이다. 그들이 한 방향으로 흐르게 하기 위해서는 서로 다른 채널링(channeling) 재료 층이 필요하다. 이런 층들 사이를 지나가는 입자들은 그 중의 일부가 소실되고, 이것은 태양 전지의 에너지 효율을 감소시킨다. 이번 연구팀의 새로운 디자인은 손실을 줄이기 위해서 단지 몇 층을 사용하고 입자들을 유도하는데 더 작은 에너지가 필요한 강유전체를 사용했다. 이번 연구진은 이런 특성들을 가진 재료를 디자인하는데 5 년 이상이 걸렸다. 이 재료는 칼륨 니오베이트(potassium niobate)와 바륨 니켈 니오베이트(barium nickel niobate)를 결합시켜서 만든 페로브스카이트 결정(perovskite crystal)을 가졌다. 이 재료는 일반적인 유전체보다 상당한 특성 향상을 보였다. 새로운 재료는 6 배 더 많은 에너지를 흡수할 수 있고, 50배 더 밀집된 광전류를 전달할 수 있다. 재료의 조성을 변화시킴으로써 태양전지의 효율을 추가적으로 향상시킬 수 있었다. 이 재료는 박막 태양전지 기술에서 현재 많이 사용되고 있는 화합물 반도체와는 달리 저렴하고, 비독성이며, 지구상에 풍부하게 존재한다. 이 연구는 저널 Nature에 온라인으로 게재되었다. 이번 연구진은 이 재료의 결정 구조를 확인하기 위해서 X-선 결정학(X-ray crystallography)과 분말 회절(powder diffraction) 방법을 사용했다. 이 방법은 세라믹 재료의 원자 구조를 정확하게 분석할 수 있다. 적절한 실험적 장치를 이용해서, 이번 연구팀은 이 재료가 층을 교차시키지 않아도 한 방향으로 에너지를 이동시킬 수 있다는 것을 증명했다. 따라서 에너지 손상을 최소화할 수 있었다. 벌크 광전지 효과(bulk photovoltaic effect)라고 불리는 이 능력은 1970년대에 알려졌지만 지금까지 자외선에서만 관찰되었다. 태양 에너지의 대부분은 가시광선 및 적외선 스펙트럼으로 존재한다. 새로운 재료 속의 성분 원소의 비율을 조절함으로써, 이번 연구팀은 전도를 유도하는데 필요한 에너지 양을 감소시킬 수 있다는 것을 증명했다. 모재의 밴드갭은 자외선 범위에서 존재한다. 그러나 바륨 니켈 니오베이트를 단지 10% 첨가함으로써 가시광선 범위로 밴드갭을 이동시킬 수 있는데, 이것은 효율적인 태양 에너지 전환을 가능하게 한다. 이 연구결과는 저널 Nature에 “Perovskite oxides for visible-light-absorbing ferroelectric and photovoltaic materials”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nature12622). 출처 : http://www.nanowerk.com/news2/green/newsid=33662.php
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