태양전지 효율을 높여줄 카드뮴산화물 나노섬유
이란의 Materials and Energy Research Center 연구원들은 가스센서 및 태양전지에 응용될 수 있는 나노섬유를 카드뮴산화물로부터 생산해 내는데 성공했다고 한다. 그들의 연구결과는 Che
mical Enginnering Journal을 통해 소개되었다. “전기방사(electrospinning)과정에 기인하는 매우 넓은 표면적을 가질 뿐 아니라 가스 센서, 태양전지, 투명전극 등의 넓은 응용범위를 지닌 카드뮴산화물의 가치를 높게 평가한 우리 연구팀은 카드뮴산화물 나노파이버의 합성과 특성분석에 관한 연구를 시작하였습니다.” 연구팀의 리더인 Ali Mohammad Bazargan은 이번 연구의 배경과 연구의 핵심인 카드뮴산화물 나노섬유 제조공정에 관하여 설명했다. “카드뮴산화물 나노섬유를 만들기 위한 첫 번째 단계는 솔루션 형태의 원료물질에 강력한 전기장을 인가하는 과정으로 이 과정에서 유기물과 광물이 혼합된 형태의 나노 섬유가 합성됩니다. 그 다음 이 섬유들은 저온 열처리 과정을 거치게 되는데 이 과정을 거치면 나노섬유에 혼합되어 있던 유기물이 모두 분해되어 순수한 광물로 구성된 나노섬유만 남게 됩니다.” 순수한 카드뮴산화물 나노섬유의 제조에 성공한 Bazargan의 연구팀은 카드뮴산화물 나노섬유의 구조적, 전기적, 광학적 특성에 대한 면밀한 분석을 수행하였다. “카드뮴산화물 나노섬유의 다양한 특성을 종합해 본 결과 이 나노섬유만의 독특한 특성(매우긴 섬유길이, 꽈배기처럼 꼬인 구조, 매우 넓은 표면적)은 가스센서 및 태양전지에 매우 유용하게 사용될 수 있을 것으로 판단됩니다.” Bazargan은 이야기 했다. ACB

태양전지셀의 효율성 향상을 위한 연구 프로젝트
벨기에의 연구기관인 IMEC (뤼벤, 벨기에)는 금속성 나노 구조를 이용하여 솔라 셀(solar cell)의 효율을 증대시키고 및 비용을 낮출수 있는 공동 연구 프로젝트를 착수했다고 한다. 이 PRIMA라고 명명된 프로젝트는 ICT를 위한 유럽연합의 7번째 조직 프로그램 (FP7)에 의해 연구 자금이 지원된다. 본 연구에 참여하는 연구기관으로는 영국의 임페리얼 대학, 스웨덴의 채머스 기술 대학, 벨기에의 포토볼테크 NV, 잉글랜드의 퀀타솔 사 및 오스트레일리아 국립 대학등이 포함된다. 이 프로젝트는 지난 3년에 걸쳐 계획되어 왔으며, 약 2300만 유로 (3백만 달러)의 예산이 책정되어 있다. PRIMA는 Plasmon Resonance for IMproving the Absorption의 줄임말로서, 솔라 셀의 빛 흡수 능력을 향상시키기 위한 플라즈마적인 공진을 의미한다. 특수한 나노 구조의 금속성 표면은 특정 파장에서 빛을 흡수하고 강화시키는 것으로 밝혀졌다. 이는 플라즈몬이라고 알려진 금속 표면에 있는 전자 입자들이 빛에 의해 전체적인 진동을 하는 현상이라고 한다. 이 플라즈몬 이론은, 솔라 셀 또는 생체 분자와 상호 반응하는 나노 분자를 이용해, 칩 상의 나노 크기의 상호연결 네트워크을 통해 광신호를 전달하는데 이용될 수 있다.
솔라 셀과 관련하여, 금속성 나노구조는 셀의 광활성 물질의 빛 흡수능력을 증가시킬수 있다. 증대된 빛 흡수 능력을 이용하면, 보다 작고 얇으며 가볍고 비용이 절감된 기본 재료로 셀을 만들 수 있다고 한다. 금속 나노 구조는 결정체 실리콘을 포함한 다양한 솔라 셀에서 빛 흡수 능력을 향상시킬수 있다고 한다.
PRIMA 프로젝트의 목표는 금속성 나노 구조의 물리적인 메카니즘에 대한 심도 깊은 연구에 중점을 두고 있으며, 이러한 구조들이 솔라 셀 제작에 응용되고 집적될 수 있는 방안을 찾고자 한다. 이를 위해, 최신 솔라 셀들을 벤치마킹하고 많은 다양한 구조들을 실험할 계획이다. 이러한 셀들의 성능 및 응용은 프로젝트에 참여하고 있는 솔라 셀 제조회사들에 의해 평가된다고 한다.
유럽의 과학은 전통적으로 광전지 및 플라즈마 분야에서 선두를 유지해 왔으며, 이 프로젝트를 통해 유럽의 강한 입지를 유지해 나가는데 도움을 줄 것으로 보고 있다. 또한 이는 프로젝트에 참여하는 회사들에게 산업계에서의 경쟁력을 제공해 주며, 유럽의 지속적인 경제 성장 및 고용을 창출할 수 있는 동시에, 온실 개스의 방출을 줄이는데도 기여하게 될 것이라고 한다. GTB

New Energy Technology - 태양전지가 코팅된 친환경 유리창 개발
Maryland 주에 위치한 New Energy Technology사는 유리기판위에 태양전지 물질을 분사(Spraying)하는 매우 간단한 방식으로 태양전지가 내장된 유리창을 제작 할 수 있는 기술을 개발했다고 한다. New Energy사의 발표에 따르면 그들이 개발한 Spraying 기술을 이용하여 제작된 투과형 태양전지 창은 현재 사용되고 있는 박막태양전지 제작 기술과 비교 했을 때 매우 경제적이라고 한다. 회사 측에 따르면 기존의 박막 태양전지는 매우 복잡하고 값비싼 진공장비를 이용하여 제작되어야 할 뿐 아니라 대부분의 공정이 고온에서 이루어지기 때문에 고가의 기판을 사용해야 한다. 이러한 점으로 미뤄볼 때 New Energy Technology사의 Spraying방식으로 제작된 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 월등한 경제성을 가진다. “경제적인 측면이 아닌 기술적 측면에 있어서도 기존의 태양전지 유리창은 문제점을 가지고 있습니다. 충분한 빛을 투과하기엔 태양전지 물질이 너무나 두껍게 코팅되어 있어 투과성이 너무 떨어진다는 것입니다. 상업적으로 성공하기 어려운 제품들이었죠.” New Energy사의 대표인 Meetesh Patel은 이야기 했다. “상업적인 면에서 봤을 때 기존의 박막태양전지 제작에 사용되는 고온공정, 복잡한 제조방식 그리고 이에 수반되는 높은 비용은 박막태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 요소로 작용해 왔습니다. 이에 반해 우리가 개발한 Spraying 기술은 현저한 비용절감, 매우 짧은 생산시간, 상온제작공정 등의 다양한 장점을 고루 갖추고 있습니다.” ‘Solar Window’라고 이름 붙여진 New Energy사의 태양전지 유리창 사용되는 태양전지는 세계에서 가장 얇은 두께를 자랑한다. New Energy사에 따르면 ‘Solar Window’에 적용된 태양전지의 두께는 머리카락 1/1000 정도 밖에 되지 않으며 이는 기존의 박막 태양전지에 비해 수십 혹은 수백분의 일에 지나지 않는 두께라고 한다. GTB

나노튜브코팅을 통한 태양전지의 기능 향상
태양전지의 기능을 증가시킬 가능성이 있는 특이적인 나노튜브를 통한 코팅법에 대한 정밀한 연구결과, 몇몇 예상치 못했던 주름이 나타났다는 새로운 사실이 미국립 표준기술원(Institute of Standards and Technology, NIST)와 노스다코타주립대(North Dakota State Univers, NDSU)의 연구진에 의해 최근 보고되었다[(“Wrinkling and Strain Softening in Single-Wall Carbon Nanotube Membranes”)]. 많은 과학자들은 단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)로 이루어진 코팅이 다른 물질들이 존재하게 되는 문제를 해결하는 좋은 방법이 되지 못한다는 것을 인지하고 있다. 하지만, 많은 뛰어난 속성을 가진 나노튜브로 만들어진 필름을 통해 연구팀은 이러한 코팅 기술이 실제로 현실화되기 전에 설명되어야 할 필요가 있었던 몇몇 문제에 대한 답을 제공해 줄 수 있었다.
“이들 나노튜브 코팅의 아이러니는 이들이 구부러져 있을 때, 변할 수 있다는 점이다”라고 NDSU에서 물질 및 나노기술 프로그램(Materials and Nanotechnology program)의 책임자인 Erik Hobbie가 말했다. 이어서 그는 “적당한 조건하에서 이들 필름들은 나노튜브 내에서 비가역적인 변화를 일으켜 그들의 전도성을 감소시킬 수 있다. 우리의 연구는 최초의 것이며 이것은 이러한 효과들을 최소화시킬 수 있는 방법으로 필름을 조절하고자 하는 새로운 접근법을 연 것이다”라고 덧붙였다.
태양을 이용한 발전 산업에 있어서 가장 시급히 해결해야 하는 문제는 전기를 만들어낼 수 있는 저렴하고 유연하며 투명한 코팅을 개발하는 것이다. 만약 이러한 속성들을 한 가지 물질을 재료로 얻을 수 있다면 태양 전지의 비용은 훨씬 줄어들 것이며 이를 만드는 연구자들은 이들을 전혀 예상하지 못했던 장소-예를 들어, 옷과 같은 물건들-에 이들을 설치하는 것이 가능하게 될 것이다. 투명한 전도성 코팅은 인듐-주석 산화물(indium-tin oxide)로 만들어질 수 있지만, 다루기에는 너무 강한 강도와 높은 비용은 이들로부터 만들어진 코팅법의 이용을 제한하고 있다. 탄소 나노튜브가 이러한 문제를 해결하는 한 방법이 될 수 있다.
육각형 철조망이 미세하게 말려있는 것과 유사한 나노튜브는 저렴하고 생산하기 쉬우며 쉽게 덩어리를 이루어 투명한 전도성 코팅을 형성할 수 있다. 또한 이들의 그물 같은 내부 구조들은 이들 코팅을 종이처럼 강하게 만들어줄 수도 있다. 그러나 연구팀의 연구 결과는 어떤 종류의 뻗음(stretching) 구조가 코팅에 있어서 미세한 ‘주름’을 만들어 낼 수 있으며 이것이 전기를 발생시키는 나노튜브 내의 무질서한 배열을 망가뜨리게 된다는 것을 보여주고 있다. Hobbie는 이와 관련하여 “당신은 나노튜브가 랜덤하게 배열되어 있는 것을 원할지도 모른다. 하지만 나노튜브 코팅에 주름이 생겼을 때, 나노튜브에 전도성을 주고 있던 네트워크 구조가 파괴될 수 있다. 이렇게 되면 나노튜브 다발들은 비가역적으로 줄과 같은 구조를 형성하게 된다”라고 설명했다.
그러나 Hobbie는 이번 연구가 이 문제를 설명해주는 몇 가지 방법들을 제안하고 있다고 말했다. 필름이 아주 얇게 만들어져 주름이 일어나는 것을 피할 수 있다면, 혹은 코팅을 만드는 연구자가 이들 코팅에 끼어드는 또 다른 고분자 네트워크를 만들어 나노튜브 네트워크를 지지해주고 이를 통해 많은 변화가 일어나는 것을 막아낼 수도 있다. Hobbie는 “이러한 접근법들은 우리로 하여금 나노튜브가 우리가 원하는 형태를 유지하며 큰 주름이 생기지 않게 해준다.”고 말했다. GTB

기존의 태양전지 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술
퀘벡 주립대학(Universite du Quebec a Montreal, UQAM)의 연구진은 태양전지에 대한 새로운 두 가지 기술을 개발했는데, 이것은 태양전지의 과학적 및 상업적 미래를 완전히 변화시킬 수 있을 것이라고 연구진은 말했다. 이번에 연구진은 지난 20년 동안 효율적이고 저렴한 태양 전지의 개발을 방해했던 두 가지 문제점에 대한 해결책을 내놓았다.
지구 전체에서 1년 간 소비되는 에너지보다 태양으로부터 1시간 동안 받는 에너지가 더 많다. 불운하게도, 이런 광대한 잠재력에도 불구하고, 태양에너지는 거의 사용되지 않고 있다. 실리콘과 같은 반도체 물질로 구성된 기존의 태양 전지에서 만들어진 전기는 화석 연료 또는 수력 발전 같은 기존의 에너지원보다 5배 또는 6배 더 비싸다. 전 세계적으로 수많은 연구진이 에너지 효율성을 증대하고 더 저렴하게 만들기 위한 연구를 진행하고 있다.
가장 유망한 태양전지 중 하나는 스위스의 로잔 공과대학(Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL)의 Michael Graetzel 교수에 의해서 90년대 초에 설계된 것이었다. 식물이 빛 에너지를 탄수화물(설탕, 식품)로 전환하는 생체 화학적 프로세스인 광합성의 원리를 기반으로 해서, Graetzel 태양전지는 녹색 잎의 엽록소처럼 태양빛을 흡수하는 분자 염료로 씌워진 백색 안료인 티타늄 이산화물 나노입자의 다공성 층으로 구성된다. 티타늄 이산화물을 전해질 용액 속에 침전시키고 백금 기반의 촉매를 적용하면 태양전지가 완성된다.
(알카라인 배터리 같은) 기존의 전기화학적 전지에서처럼, 두 개의 전극(티타늄 이산화물 양극과 백금 음극)이 액체 전도체(전해질)의 양면 위에 놓여진다. 태양빛은 음극과 전해질을 통해서 지나가고 티타늄 이산화물 양극에서 전자들이 방출된다. 이 전자들은 전류를 만들면서 양극에서 음극으로 와이어를 통해서 이동한다. 이런 방법으로, 태양 에너지를 전기로 변환시킨다.
이런 전지를 만들기 위해서 사용되는 대부분의 물질은 저렴하고, 제조하기 쉬우며, 유연하다. 이것은 이런 물질들이 다양한 물체와 소재 속에 집적될 수 있도록 한다. 이론적으로 Graetzel 태양전지는 엄청난 가능성을 가졌다. 불운하게도, 이런 우수한 이론에도 불구하고, 이런 종류의 전지는 다음과 같은 두 가지 문제점으로 인해서 대규모 상업화가 제한된다:
1) 전해질은 a)내구성 부족을 초래하는 큰 부식성을 가지고 b)빛의 효과적인 통과를 방해하는 짙은 색상을 가졌으며 c)0.7 V로 장치의 광전압을 제한한다.
2) 음극은 비싸고 비-투과성이며 희귀 금속인 백금을 사용한다.
이번 연구진은 전기화학적 태양전지를 디자인하기 위해서 몇 년 동안 연구를 진행했었다. 이 연구에는 새로운 기술들이 포함되었다. 연구진은 전기화학적 전지의 개발 과정에서 알게 된 다음과 같은 두 가지 기술이 Graetzel 태양전지에서 적용될 수 있다는 사실을 알게 되었다.
1) 전해질은 완전히 새로운 분자들로 만들어지는데, 이 발생된 액체 또는 겔은 투명하고 비-부식성이며 전기 출력 및 안정성을 향상시키면서 광 전압(photovoltage)을 증가시킬 수 있었다.
2) 음극 물질인 백금이 매우 저렴한 코발트 황화물로 대체될 수 있다. 이것은 더 효율적이고 더 안정적이며 더 쉽게 생산되도록 할 것이다.
이 연구결과는 JAS에 “CoS Supersedes Pt as Efficient Electrocatalyst for Triiodide Reduction in Dye-Sensitized Solar Cells”, Nature Chemistry에 “An organic redox electrolyte to rival triiodide/iodide in dye-sensitized solar cells” 이라는 제목으로 게재되었다. GTB

염료 기반 태양 전지를 위한 새로운 전해질
연구자들이 염료로 코팅된 티타늄 이산화물(dye-coated titanium dioxide)에 기반한 저렴한 태양 전지를 개발하는데 주요 장애물들 중의 하나를 극복하는데 한 단계 더 가까와졌다. (M Wang et al., Nature Chem., 2010, DOI: 10.1038/nchem.610) 염료 민감성 태양 전지들(Dye-sensitised solar cells, DSCs)은 이십 여년 전에 Michael Gratzel과 Brian O`Regan이 개발했는데, 환원 전해질과 접한 루테늄 기반의 염료(ruthenium-based dye)로 코팅된 얇은 막의 티타늄 이산화물로 구성되어 있다.
염료에 기반한 시스템들이 규소(silicon)로 만들어진 광전지들 보다 태양 에너지를 변환하는데 덜 효율적이지만, 제조하기에 더 저렴해지고, 많은 응용에서 다용도로 쓰일 수 있을 것으로 보여, 매력적인 상업적인 전망을 가진다. 빛 에너지가 전지 안으로 들어가면 염료에서 전자를 방출하는데, 이는 TiO2로 들어가서 전극으로 확산한다. 그러면 전해질은 염료에 다시 전자를 제공해줘 재생하도록 해준다. 그러나, 적당한 전해질을 찾는 것이 상당히 쉽지 않다는 것이 알려졌다. 지금까지 발견된 가장 효율적인 전해질은 요오드화물/삼요오드화물 짝(iodide/triiodide couple)에 기반한다. 그러나, 이것은 잠재적으로 유용한 빛의 일부를 흡수하고 은을 기반으로 하는 전기적 접촉에 부식성이 있어 튼튼하고 오래가는 장치를 만드는 것이 어렵다. 많은 요오드화물이 없는 시스템들이 조사되어 왔지만, 그 전지들은 빛을 전기력으로 전화시키는 효율이 상당히 낮다.
로젠(Lausanne)에 있는 스위스연방기술연구소(Swiss Federal Institute of Technology)에 있는Gratzel이 이끈 연구진이 5-머캡토-1-메틸테트라졸(5-mercapto-1-methyltetrazole)를 사용하여 이황화물/싸이올레이트 환원 짝(disulfide/thiolate redox couple)에 기반한 새로운 전해질을 입증해보였다. 이 전해질을 사용하는 전지들은 표준적인 조명 조건에서 6.4%의 동력 전환 효율(power conversion efficiency)을 가짐을 보였는데, 이는 유사한 요오드화물-기반 시스템들에 비할만하며, 다른 요오드가 없는 전지들보다는 훨씬 높다. 그 전해질은 요오드화물과 관련된 부식 문제를 피하며, 광학적 성질들이 향상되었다.
전체 태양광선 아래서 달성한 6.4%의 효율은 요오드화물이 없는 DSCs들을 위한 새로운 기준을 세웠다고 그 연구자들은 말했으며, 그 새로운 산화환원 짝이 대규모의 실용적인 응용을 위한 매력적인 성질들을 가진 효율적인 DSCs를 개발하는데 실행가능한 경로를 제공해준다고 덧붙였다.
영국의 에딘버그대학교(University of Edinburgh)에서 DSCs를 연구하고 있는Neil Roberston은 이것이 확실히 매우 유망한 발전이며, 이것은 요오드화물에 대한 첫번째 대안은 아니지만, 이전에 있던 최고의 대안들보다 더 뛰어나다고 말했다. 전해질은 이들 전지들을 생산하고 장기간 사용하는데 알려진 문제이며, 그래서 이들 장치들의 미래를 위해 이 문제들을 고심하고 그 응용을 보다 넓게 여는 것이 중요하다고 Roberston은 말했다. GTB