캘리포니아 공대가 개발한 3차원 태양전지
태양전지의 광흡수율과 광전변환효율을 높이기 위한 방안으로 나노섬유, 나노튜브 등을 이용한 3차원의 표면구조 형성기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 많은 대학과 연구소에서 3차원 표면구조 형성과 관련된 연구를 진행하고 있으며 3차원 표면구조를 이용한 다양한 연구결과와 기술들이 발표되고 있다. California Institute of Technology(Cal-Tech) 에서 개발한 ‘실리콘 나노와이어-폴리머구조’ 형성 기술은 실리콘 나노와이어를 플렉서블한 폴리머에 삽입하여 태양전지의 광흡수율과 광전변환효율을 동시에 높이는 기술로 최근에 발표된 3차원 표면구조 형성기술 중 가장 주목 받고 있는 기술이다. Cal-Tech이 개발한 ‘실리콘 나노와이어-폴리머구조’ 태양전지는 모체인 폴리머에 광전변환물질로 사용되는 실리콘 나노와이어가 주상으로 배열돼있는 3차원 구조를 가지므로 2차원 표면을 지닌 일반적인 태양전지의 비해 넓은 면적을 갖게 되며 이에 따라 높은 광 흡수율을 갖게 된다. 3차원 표면구조를 이용한 광 흡수율 증가에 관한 연구는 Georgia tech의 연구팀에서도 수행되고 있다. Cal-Tech의 연구팀이 사용하고 있는 실리콘 와이어는 1마이크론의 직경을 가진 30~50mm길이의 긴 막대기 형태를 갖고 있으며 각각의 실리콘와이어는 반사를 방지하는 물질로 코팅되어 있어 반사에 의한 빛의 손실을 최소화 한다. 실리콘 와이어가 삽입되는 폴리머 모체에는 실리콘 와이어 이외에도 빛을 산란시키는 작은 입자들이 분산되어 있는데 이 입자들은 ‘실리콘 나노와이어-폴리머구조’내부로 들어온 빛의 난반사를 유도하여 입사된 빛이 표면으로 반사되는 것을 막아주는 역할을 한다. Cal-Tech의 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지는 깨지기 쉽고 평평한 실리콘 웨이퍼 대신 폴리머 모체 내에 주상으로 배열된 실리콘 와이어를 광흡수 물질로 사용하여 기존의 태양전지보다 높은 광 흡수율과 광 변환효율을 가질 뿐 아니라 플랙서블한 특성을 갖는다. ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지는 지금까지 한계로 여겨져 왔던 것 이상의 광 흡수율을 보여주고 있다.”고 Cal-Tech의 교수이자 Nature Materials에 개제된 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지 논문의 공동저자인 Harry Atwater는 이야기 했다. “빛을 잘 흡수하는 물질은 많이 있습니다. 하지만 태양전지에서 사용되기 위한 물질은 빛을 흡수만 해서는 안 됩니다. 흡수된 빛을 전기로 잘 바꿔줄 수 있어야죠.” 연구팀의 리더인 Atwater와 그의 연구팀은 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지의 성능 개선을 위해 폴리머 내에 주상으로 배치되는 실리콘 나노와이어의 밀도와 산란입자의 분산도가 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’ 태양전지의 성능에 미치는 영향에 대한 연구를 진행했다. 연구결과에 따르면 실리콘 나노와이어가 보여주는 높은 광흡수율과 광 변환효율 덕분에 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’구조에서의 실리콘 나노와이어 밀도는 2에서 10%정도면 충분하다고 한다. Atwater에 따르면 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’ 태양전지는 입사광의 96%이상을 흡수하며 그 중 85%에 해당하는 광자가 전자-정공 쌍을 만들어 낸다고 한다. “우리는 지금까지 개발된 어떠한 구조보다도 높은 광 흡수율을 지닌 구조를 만들어 냈습니다.” Atwater은 이야기했다. Cal-Tech의 연구원들에 따르면 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지는 앞서 언급한 장점 이외에도 2가지 경제적인 장점을 가지고 있다고 한다. 그 첫째는 기존의 실리콘 웨이퍼 태양전지에 비해 1/50에 해당하는 실리콘만으로도 동일한 성능의 태양전지를 만들 수 있다는 것이고 두 번째는 인쇄방식의 일종으로 기존의 태양전지 제작방식에 비해 매우 경제적인 Roll to Roll공정으로 제작될 수 있다는 점이다. 하지만 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지는 아직까지 연구단계에 있는 기술로 대량생산에는 많은 시간과 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. “우리 연구팀이 제작한 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지의 크기는 가로/세로 1cm밖에 되지 않습니다.” Atwater에 따르면 Cal-Tech의 연구팀은 현재 ‘실리콘 나노와이어-폴리머’태양전지의 크기를 일반적인 태양전지 수준인 수백 제곱 Cm까지 키우기 위한 연구를 진행하고 있다고 한다. ACB

태양광 발전의 효용성을 높이기 위한
태양에너지 저장 시스템 개발
Pennsylvania주에 위치한 International Battery사는 리튬이온 배터리를 이용한 태양에너지 저장기술의 실용성을 조사하기 위해 HNU Energy사와 공동연구를 수행하기로 했다고 발표했다. International Battery사는 다른 배터리 업체들과 마찬가지로 태양광 발전, 풍력발전 등의 신재생에너지를 이용한 전력생산이 시시각각 변하는 기후의 영향으로 꾸준하지 않다는 점을 들어 신재생에너지의 활용에 있어 전력 저장의 중요성을 강조하고 있다. International Bettery사와 HNU사는 전력저장시스템이 갖춰진 태양광 발전시스템의 효용성을 평가하기 위해 Hawaii주의 Maui지역에 리튬이온 배터리를 이용한 전력저장 시스템이 갖춰진 태양광 발전소를 건설하고 있다. 이 새로운 발전소의 건설을 위해 HNU사는 3상 인버터와 충전제어 시스템을 갖춘 224W의 태양전지 패널을 공급하고 있으며 International Battery사는 배터리 제어-관리 시스템이 내장된 48-Volt, 16.4KWH용량의 배터리를 공급하고 있다. 충분한 일조량과 신재생에너지 개발을 지원하는 다양한 프로그램이 준비되어 있는 Maui지역은 태양광 발전-저장 시스템의 평가를 위한 최적의 장소로 보인다. International Battery사가 개발하여 시험 중인 리튬이온 배터리를 이용한 태양에너지 저장 시스템은 총 32개의 160-Ah 용량의 리튬-인산염 배터리로 이루어진 배터리 모듈 4개로 구성된다. bInternational Battery사와 HNU사는 Maui의 태양광 발전-저장 시스템에 적용된 배터리 유닛의 온도, 충 방전 시간, 수명, 평균 충전량 등의 다양한 성능을 평가할 예정이다. GTB

고체상 광발전을 통한 새로운 태양에너지 생산 공정
태양 빛을 전기로 전환하는 새로운 공정이 태양광 발전 기술을 위한 미래를 밝게 해준다. 미국 로렌스 버클리 국립 연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구자들은 반도체 박막들 내에서 일어나는 광발전 영향들에 의해서 이루어지는 새로운 메커니즘을 발견했다. 에너지 생산을 위한 새로운 방법은 전통적인 고체상 태양전지들을 괴롭히는 전압의 한계를 극복하게 해준다. 비스무트 페라이트와 함께 작동하는 비스무트, 철, 산소로 만들어진 세라믹은 다강체 산화물(Multiferroic)이다. 다강체 산화물이 의미하는 것은 동시에 강유전성과 강자성 특성들을 모두 보여준다는 것이다. 연구자들은 광발전 효과가 나노 단위에서 동시에 일어날 수 있음을 발견했다. 더욱이 연구자들은 전기장의 적용이 크리스탈 구조를 다룰 수 있게 만들어 광발전 특성들을 제어할 수 있음을 보여주었다.
버클리 연구소의 물리학자인 잔 사이델(Jan Seidel)은 다강체 산화물질 내의 나노 규모에서 예전에 발견하지 못한 기능을 발견하여 매우 기쁘다고 말했다. 연구팀은 발견한 개념을 더욱 효율이 높은 에너지 관련 기기들에 접목시키는 작업을 하고 있다고 덧붙여 말했다. 사이델은 ‘강유전성 광발전 기기들로부터의 과밴드갭 전압’ 이라는 논문의 주저자들 중의 한명이다.
전통적인 고체상 태양 전지들의 중심에는 p-n 접합부, 양전기로 충전된 ‘홀’들을 풍부하게가지는 반도체 층 사이의 경계면, 음전기로 충전된 전자들이 풍부한 층이 존재한다. 태양으로부터 광양자들이 흡수될 때에 이들이 지니는 에너지는 단지 1-2 마이크로미터로 측정되는 p-n 접합부에 있는 미시적 지역인 고갈영역(depletion zone) 내에서 서로 분리될 수 있는 전자 홀쌍(Electron-hole pair)들을 만들고 이 후에 전기로서 수집된다. 그러나 이 공정이 작동하기 위해서는 광양자들이 물질을 통과하여 고갈영역에 도달해야 한다. 또한 이 에너지는 반도체의 전자 밴드갭의 에너지와 반드시 일치해야 한다.
사이델은 최대 전압의 전통적인 고체상 광발전 기기들이 그들의 전자 밴드갭의 에너지와 동등한 양을 생산할 수 있으며 p-n 접합부들이 적층되어 있는 탠덤셀(tandem-cell)으로 불리지만 빛이 물질 내부로 통과해야 하기 때문에 광전압들이 한계를 가지고 있다고 말했다. 버클리 연구소의 헬리오스 태양 에너지 연구센터(Helios Solar Energy Research Center)의 작업을 통해서 사이델과 그의 동료들은 강유전성과 반강자성을 동시에 지니고 있는 물질인 비스무트 페라이트에 하얀빛을 적용함으로써 1,2 나노미터 사이의 지역들에 광전압들을 생산할 수 있음을 발견하였다. 광전압들은 비스무트 전자 밴드갭보다 매우 높았다.
비스무트 페라이트의 밴드갭 에너지는 대략 2.7볼트이다. 연구팀의 측정을 통해서 연구팀은 200마이크론 사이의 거리에서 대략 16볼트의 전압을 얻을 수 있음을 알아 냈다. 더욱이 이 전압은 선형적으로 확대될 수 있어 거리를 증가시키면 더 높은 전압을 얻을 수 있을 것이라고 말했다. 광전압 생산을 위한 새로운 메커니즘 뒤에 자벽(Domain wall)들이 존재한다. 2차원 단면들은 다강체 산화물을 통해서 작동하며 전이 지역처럼 활동하여 서로다른 강자성 또는 가유전성 특성들을 분리한다. 이 연구를 통해서 사이델과 그의 동료들은 자벽들이 고갈영역처럼 전자홀의 분리를 위해서 이용될 수 있음을 발견하였다. 또한 사이델과 그의 동료들은 200볼트의 전자 파동을 이용하여 광발전 효과의 극성을 바꾸거나 제거할 수 있다. 광발전 효과들의 제어성은 아직 전통적인 광발전 시스템들에서 보고되지 않았다. 이 효과는 나노 광학과 나노 전자에 새로운 길을 열어준다. 사이델은 새로운 제품들과 기기들을 아직 시연하지 못했지만 연구팀은 현재 진행되는 연구가 광발전 효과를 위한 새로운 방향으로 나아갈 수 있는 개념들과 이론들을 자극할 것으로 믿고 있다고 말했다. GTB

그라핀을 이용한 태양전지의 효율성 향상 방안
광전소자에 사용되는 실리콘을 대체하는 물질로서 그라핀에 대한 연구가 진행되고 있다. 그라핀은 기존의 실리콘을 기반으로 하는 태양전지에서 빛을 흡수하는 대체 재료로서 큰 잠재적인 능력을 가지고 있는 재료로서 주목받고 있다. 이는 그라핀이 가변적인 밴드갭(tunable bandgap)을 가지면서 폭 넓은 광 흡수율을 가지는 광전소자로서 매우 우수한 특성을 보이기 때문이다. 이러한 여러 장점에도 불구하고 그라핀을 용매에 녹이는 공정의 어려움과, 태양전지소자로서 전하를 축척하기 위해 사용될 만큼의 크기로 제조하는 것 또한 만만치 않아 그라핀을 광전소자로서 사용하는 것에 어려움이 있었다
검은색으로 보이는 부분이 1,3,5 트리알킬 페닐 반족(1,3,5-trialkyl phenyl moieties )을 나나태고 푸른색 부분이 그라핀을 나타낸다. 수소원자는 흰색으로 표시되고 있다.
이번에 인디애나대학교(Indiana University)의 연구진에 의해 이런 문제를 해결할 수 있는 광전소자에 적합한 그라핀이 만들어지게 되었다. 연구진은 그라핀 ‘양자 도트(quantum dots)’를 통해 용매에 용해할 수 있는 그라핀을 합성하는 데 성공하였다. 이번에 성공적으로 합성된 블랙 그라핀 양자 도트는 태양광 전지의 집광소자로 사용될 수 있게 되었다. 이번 연구진은 이전에 이미 태양광 전지에서 ITO를 대체할 수 있는 전극 물질로 그라핀을 개발하는 성공했었다. 이런 기술들은 점차 태양광전지가 탄소만을 이용하는 순 탄소 태양광 전지의 기반 기술이 될 것이다.
“그라핀 연구자들은 지금까지 그라핀 단일막을 분리하는 기술을 개발하는 데 많은 노력을 기울여 왔다.”라고 인디애나대학교 화학과의 Liang-shi Li 교수는 말했다. 또한 그는 “이전까지의 연구에서는, 가장 효과적인 방법은 ‘하향식(top-down)’ 방법으로 그라핀을 막막으로 분리한 뒤 폴리머로 각 입자들을 감싸 서로간에 절연되도록 하는 것이다. 그러나 이렇게 만들어진 그라핀은 그 크기가 일정하지 않아 태양광 전지로서 광 흡수소자에 사용되기에는 적합하지 않다. 이번 연구에는 기존과 다른 방법으로, 그라핀의 모서리 부분에 반강성(semi-rigid)의 사이드 그룹기를 부착하는 방식을 채택했다.”라고 밝혔다.
이번 기술은 나노 레터(Nano Letters )지 최근호에 게재되었다. Li 교수와 그의 연구팀은 기존과 다른 상향식접근방법(bottom-up approach)을 적용하여 매우 안정적이고 균일한 그라핀 막막을 만들 수 있게 되었다. 일반적으로 그라핀 나노입자들은 서로 뭉치면서 큰 입자의 불용성의 그라핀이 되기 쉬운데, 이번 연구에서는 이 문제를 해결하기 위해 그라핀을 그림과 같은 구조로 3차원으로 감싸는 형태로 그라핀을 만들어 에너지적으로 안정된 상태로 만들었다. 이를 통해 그라핀의 결합에너지를 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.
이번 연구에서는 그라핀의 모서리에 1,3,5 트리알킬 페닐기를 부착하는 것을 시도하여 성공했다. 이를 통해 기존의 그라핀간의 근거리 결합으로 인한 문제점을 해결할 수 있게 되었다. 모서리 부분의 밀집은 부착 된 페닐기에 힘이 주어지게 하는 역할을 하여, 1,3의 알킬기는 그라핀과 같은 방향으로, 5번의 알킬기는 수직 방향으로 부착이 되도록 유도한다. 이런 것은 3차원적으로 그라핀 간의 거리를 증가시키게 만들어 짧은 거리에서 일어나는 상호작용을 방지할 수 있게 한다. 이런 접근법은 흑연에서 탄소 원자들의 결합구조가 층간 구조를 띄며 그 층간 결합에너지는 매우 약하다는 것에 착안한 것이다.
측면 그룹은 육각형의 탄소 링으로 구성되고, 탄소와 수소로 만들어진 세 가닥의 꼬리가 길게 늘어진 행태가 된다. 그라핀 박막은 매우 경질이고, 측면 그룹 링은 그라핀의 평면과 비교할 때 약 90도 정도 회전된 힘을 받고 있다. 이 세 가닥의 꼬리는 서로 꼬이지 않으면서, 그 중의 두 개는 그라핀을 감싸는 역할을 한다.
꼬리 부분은 단순히 케이지(cage)만의 역할을 하는 것이 아니라 전체 구조가 용액속에 용해 될 수 있도록 유기용제로서 작용하게 된다. 이번 연구에서는 30mL의 용매속에 30mg 의 그라핀을 녹일 수 있게 되었다.
광전소자로서의 효율성을 시험하기 위해서, 연구진은 전자 수용자(electron acceptor)로서 산화타이타늄(titanium dioxide)을 사용한 태양전지를 만들었다. 이를 가지고 소자특성을 평가 했을 때 제곱센티미터당200 마이크로암페어 정도의 전류와 0.48 볼트의 개회로전압(open-circuit voltage)을 가지는 것으로 확인 되었다. 그라핀 박막은 가시광선에서 적외선 근처의 영역의 범위(200nm~900nm)까지 상당히 넓은 영역의 빛을 흡수하였고, 빛의 파장길이가 591nm일 때 최대의 흡수율을 보였다.
“이번의 기술을 통해 광전 변환을 위한 소자로서 그라핀의 광학적, 전기적 특성을 향상 시킬 수 있는 새로운 장을 열게 되었다.”라고 Li 교수는 말 했다 또한 “더욱이 이번의 연구결과를 통해 나노구조 그라핀 모서리 부분의 화학적인 결합이 그라핀의 전자기적 특성을 결정하는 것에서 주요한 부분을 차지하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 그라핀을 용액속에 녹이는 기술을 통해 그라핀의 구조를 분자단위에서 조절이 가능하였기 때문이다”라고 했다. GTB

Stanford University - 태양전지를 전력 원으로 하는
인공망막 개발
Stanford Univer
sity(SU)의 연구원들은 최근 내장된 태양전지를 전력원으로 사용하는 인공망막을 개발했다고 발표했다. 연구팀이 개발한 인공망막은 망막손상으로 시력을 잃은 맹인들의 눈에 이식되어 시력을 되찾아 줄 수 있을 것으로 보인다. 현재까지 개발된 인공망막의 가장 큰 문제점은 안구에 이식된 인공망막에 전원을 공급할 방법이 없었다는 것이다. 이에  반해 SU의 연구팀이 개발한 인공망막은 태양전지를 내장하고 있으며 별도의 전원공급 없이도 동작할 수 있기 때문에 외부로 부터의 전원공급을 필요로 하지 않는다. SU의 연구팀이 개발한 이 인공망막은 망막 뒤쪽에 이식되며 매우 작은 태양전지가 집적돼있는 형태를 지닌다. SU의 인공망막 시스템은 인공망막 이외에 비디오카메라와 근적외선 LCD 디스플레이 패널이 부착된 고글 그리고 비디오신호와 근적외선의 밝기를 조절하는 포켓 PC로 구성되며 인공망막시스템의 동작원리는 다음과 같다. 1)외부에 설치된 비디오카메라가 영상을 포착하고 2)이 영상은 포켓PC로 전달되며 3)포켓PC는 고글에 부착된 근적외선 LCD 패널에 영상정보를 전송한다. 4) 근적외선 LCD 패널은 안구 뒤쪽에 위치한 인공망막에 근적외선 영상을 전송하며 5) 인공망막은 LCD 패널로부터 전달된 근적외선 영상을 전기신호로 변환하여 뇌로 전달한다. SU의 인공망막은 3mm/3mm의 넓이와 0.03mm의 두께를 가진다. 현재까지 개발된 SU의 인공망막 시스템은 사물을 분간할 수 있을 정도의 시력을 제공할 수 있으며 SU의 연구팀은 사람의 얼굴을 식별할 수 있을 정도의 해상도를 지닌 인공망막 시스템을 개발을 목표로 하는 연구를 진행하고 있다. ACB