광합성 과정을 통해 전력을 생산해 내는 탄소나노튜브 태양전지
Purdue University의 연구팀은 천연물질 및 합성 바이오물질이 혼합된 나노튜브를 이용한 ‘자가 손상복구’ 태양전지구조를 개발했다고 한다. PU의 연구원들에 따르면 그들이 개발한 ‘자가 손상복구’ 태양전지는 식물의 광합성과정을 모방한 작동원리를 가질 뿐 아니라 사용 중 발생된 손상을 스스로 치유하는 자가 손상복구 능력을 가지기 때문에 기존의 태양전지보다 더욱 긴 수명을 갖게 된다고 한다. 현재 연구팀의 목표는 식물의 광합성에서 가장 중요한 요소인 전하분리와 재결합과정을 담당하는 천연물질을 대체할 수 있는 합성물질의 개발과 그 물질의 최적화를 통해 태양전지의 효율을 개선하는 것이다. PU의 연구팀은 두 가지 종류의 ‘자가 손상복구’태양전지를 고안하였으며 이 두 가지 태양전지는 서로 다른 동작원리로 작동한다. 첫 번째는 Ru(Ruthenium)기반의 복합물과 결합된 하이브리드 단일 벽 탄소나노튜브(SWCNT:Single Wall Carbon Nanotube)와 광합성작용을 하는 천연물질을 혼합하여 사용하는 방식으로 SWCNT는 광합성이 일어나는 장소로 사용됨과 동시에 광합성물질이 감광성, 비 감광성 물질로 전환되며 ‘자가 복구’가 일어나도록 하는데 핵심적인 역할을 한다. SPIE Newsroom에 개제된 연구팀의 논문에 따르면 태양광이 입사되면 광합성반응을 일으키는 복합물질은 태양광이 입사되면 광합성에 의해 생성된 전하를 SWCNT에 남겨놓고 SWCNT로부터 떨어져 나가는 방식으로 전력을 발생시킨다고 한다. 이렇게 떨어져 나간 복합물질의 빈자리는 주변에 있던 다른 복합물질에 의해 채워지고 떨어져나간 복합물질은 ‘자가 복구’과정을 통해 빼앗긴 전하를 되찾은 후 또 다시 SWCNT의 빈자리를 찾아 SWCNT와 결합 하게 된다. 이 방식은 빛에 의한 광합성물질의 ‘분해와 회복’의 반복을 이용한다는 점에서 식물의 광합성 반응과 매우 유사한 특징을 갖는다. PU의 연구팀이 고안한 두 번째 방식은 하이브리드 탄소나노튜브 대신 포피린(Porphyrin), 인지질(phospholipids)그리고 DNA/RNA 혼성화를 통해 합성된 발색단(Chromophore)물질을 광합성에 이용하는 방식이다. 이 합성물질은 자가 정렬성(Self Assembly), 분자 선택성(Self Recognition)과 함께 탄소나노튜브의 격자와의 높은 친화도를 갖는다는 점에서 광합성을 일으키는 물질로서 매우 이상적이라고 할 수 있다. “바이오 물질의 크기를 변화시킴으로서 전하분리와 재결합의 효율을 결정짓는 가장 중요한 요소인 억셉터와 도너간의 거리를 조절할 수 있을 뿐 아니라 바이오 물질 주변의 환경변화를 통해 바이오 물질의 구조를 변화시킬 수 있으며 이를 통해 광합성 작용의 효율을 결정짓는 또 하나의 중요한 변수인 바이오 물질과 SWCNT간의 결합력을 변화시킬 수 있습니다.” 연구팀을 이끌고 있는 Jong Hyun Choi는 이야기 했다. PU연구팀에 따르면 그들이 개발한 태양전지에서 일어나는 광합성 반응의 기폭제 역할을 하는 물질은 계면활성제라고 한다. 재결합 단백질, 발색단, SWCNT로 이루어진 복합물질은 계면활성제 역할을 하는 클로로필(Chlorophyll)의 첨가에 의해 식물에서 일어나는 광합성반응과 유사한 반응을 일으킨다. 이 방식을 통해 일어나는 광합성 과정의 기본적 순환과정은 다음과 같다. 1) 광합성반응을 일으킬 물질이 부착될 플랫폼의 형성. 2) 계면활성제 첨가를 통한 복합물질의 분해. 3) 계면활성제 제거에 의한 복합물질의 재배열. 4) 1)~3)에 해당하는 과정의 끊임없는 반복을 통해 전력을 만들어내는 기본 요소인 전하가 생성된다. 식물들의 광합성 작용에선 발색단(Chromophore)의 파괴와 파괴된 발색단위치에 새로운 발색단이 채워지는 과정이 지속적으로 일어난다. 이러한 점에 있어 PU가 개발한 복합물질과 이를 이용한 광합성작용은 자연계에서 일어나는 광합성과 매우 유사하다고 할 수 있다. PU의 연구원들에 따르면 그들이 개발한 태양전지에서 일어나는 광합성반응은 열역학적 준안정상태에서 일어나며 광합성 반응이 일어나기 위해선 계면활성제의 제거속도가 문턱 값 이상이 되어야 한다고 한다. PU의 연구팀이 제작한 태양전지는 현재까지 개발된 광합성을 이용한 태양전지 대비 3배 이상의 효율을 보여줄 뿐 아니라 측정하기 어려울 정도로 긴 수명을 갖는다고 한다. “우리는 탄소나노튜브와 합성물질로 구성된 복합물질을 이용하여 전력을 생산해 낼 수 있는 광합성 시스템을 만들어 냈습니다.” Purdue University의 기계공학부 교수이자 연구팀의 리더인 Jong Hyun Choi는 이야기 했다. “우리 연구팀은 바이오 물질인 발색단(Chromophore)대신 염료(Dye)를 사용하는 방식을 연구하고 있으며 염료의 사용은 광합성을 이용한 태양전지 시스템의 실용성을 한 층 높여주는 역할을 할 것으로 생각됩니다.” ACB

태양 전력 향상을 위한 도트들의 연결
구리와 같은 금속들은 빠른 자유 전자들을 많이 가지고 있기 때문에 훌륭한 전기 전도체이다. 이와는 반대로, 유리 같은 부도체는 격자 내에 자유 전자들이 없어서 전도 특성이 나쁘다.
전도체와 부도체 사이에 실리콘과 같은 반도체가 있다. 반도체들은 순수한 상태에서 적은 자유 전자들을 가지고 있더라도 빛, 열, 도핑이라 불리는 화학 첨가물들에 의해 자유 전자들을 발생시킬 수 있다. 반도체의 중요한 특색은 전자들이 차지하지 못하는 에너지 영역인 에너지 갭을 가지고 있다는 것이다.
반도체는 빛을 전기로 바꾸는 광 태양 전지에서 점점 더 중요하게 사용되고 있다. 이런 태양 전지 내에서 빛의 광자 에너지들은 결정 격자에서 원자들 중 하나로부터 전자를 분리하는데 사용된다. 이때 전자가 자유롭게 움직이도록 전자는 에너지 갭을 뛰어넘어 전기를 흐르게 한다.
그러나, 이러한 전자들과 함께, 격자 원자들을 둘러싸는 전자들의 바다에 남겨진 홀이 있다. 이러한 홀들도 움직일 수 있다. 전자들은 이 홀을 채우면 전자가 있던 곳에 또 다른 홀이 남겨지는 것이다. 그러나, 효과는 양성으로 충전된 홀을 움직이는 것 중 하나이다.
반도체로 태양 전지를 만들 때, 두 가지 중요한 문제들이 있다. 한 가지는 이상적으로 빛의 단일 광자마다 전자-홀 쌍을 만들기 위해 가능한한 빛의 에너지를 많이 추출하는 것이다. 다른 한 가지는 태양 전지의 중앙에서 다소 간단히 재결합하는 것보다 오히려 유용한 연구를 할 수 있는 전자 콘택들으로 모두 이동하기 위해 이러한 전자-홀 쌍들을 얻는 것이다.
실리콘과 같은 단일 물질로 만들어진 태양 전지는 실리콘의 밴드갭이 특정한 에너지 영역을 넘어 광자들을 흡수를 가능하게 하기 때문에 내재적으로 제한된다. 현재, 가정 태양 패널의 경우에 이는 10% 또는 20%의 효율이면 충분할 것이다. 그러나, 가장 작고 가장 많은 빛을 내는 태양 패널로부터 가장 많은 전력을 내야하는 우주선 혹은 태양열 자동차와 같은 좀더 특정한 응용제품들에서는 이러한 효율은 이용하기에 부족하다.
태양 전지들을 더 효율적으로 만들기 위해 공학자들은 갈륨 아세나이드(gallium arsenide)와 인듐 포스파이드(indium phosphide) 같은 다른 반도체들로 눈을 돌렸다. 이 화합 물질들은 태양 에너지를 더 많이 얻기 위해 더 넓고 다양한 에너지 갭들을 제공한다. 또한 서로의 상부위에 다른 물질들을 가진 두개 혹은 더 많은 태양 전지들의 스택(stack)을 이용함으로써 하부에 있는 것이 앞쪽에 있는 것에서 이용할 수 없는 광자 파장들의 일부를 포획할 수 있다.
랜 푸(Lan Fu) 박사는 미세하게 얇은 스택들 내에 성장된 복잡한 화합물 반도체들이 어떻게 높게 효율적인 태양 전지들을 만들 수 있는지 조사하고 있는 호주 국립 대학에서 과학자들의 그룹을 이끌고 있다. 그러난 이곳에서 성공하기 위한 비결은 표준 반도체 물질과 구조들과는 확연히 다르다. 더 확연하게, 이들은 나노기술과 양자 공학의 그룹의 튼튼한 배경에 의존할 것이다.
이 연구팀이 이용하고 있는 기술은 다른 반도체 표면 상에 성장한 반도체의 작은 블럽(blob)들인 양자점(QD)들의 이용이다. 양자점들은 양자점들 내에 포획된 매우 작은 전자와 홀들이 양자 효과들을 경험하게 한다. 만약 정확하게 조절한다면, 양자점들의 시트(sheet)는 일반 반도체처럼 거동할 수 있다. 그러나 현재 에너지 갭은 화학적 성질뿐만 아니라 물질들의 모양에 의해서도 변화된다. 이것은 기본 밴드갭들은 일반적인 기술들을 이용하여 불가능한 것을 조절될 수 있다는 의미이다.
이들의 계획은 진보되었지만 일반적인 다중 층 화합물 반도체에 부가된 양자점 층을 하부에 붙인 태양 전지를 만드는 것이다. 이 부가 양자점 층은 상부 벌크 물질들에서 흡수되지 않은 적외선 광자들을 포획함으로 상부 다중 접합들의 이미 높은 효율을 더 확연히 증가하게 해줄 가능성을 가지고 있다. 양자점 기술이 매우 유연하기 때문에 이론적으로 태양 스펙트럼을 완벽하게 맞는 태양 전지들의 흡수를 조절할 수 있다.
초기 연구는 단일 접합 QD 태양 전지에 초점이 맞춰져 있었고 그 결과들은 매우 쓸만한 것이었다. 태양 전지들의 반응은 일반적인 태양 전지들에 의해 사용될 수 있는 파장들이상인 적외선 내로 확장했다. 태양 전지로부터 전류는 흡수된 빛의 광자 수와 전하들이 이 태양 전지 내에서 결합없이 콘택들로 이동하는 효율에 의해 좌우된다. 그런 모든 점들에서 프로토 타입(prototype)은 성과를 올렸다.
그러나, QD 태양 전지들에 직면한 가장 큰 문제는 QD 구조가 태양 전지 전압 상에 나타난 효과를 조절하는 것이다. QD 내 양자 효과는 소자를 통해 전자와 홀들이 이동할 때 이들을 더 쉽게 결합하게 만들기 때문에 특정한 영향을 가진다. 전력은 전압과 전류을 곱이기 때문에 이 효과는 얻은 부가 효율의 얼마를 잃게 만든다.
이 프로젝트에서 문제들 중 하나는 모든 태양 스펙트럼을 수확할 다중 층들을 이용할 수 있는 태양 전지들을 디자인하고 발생된 전압을 충분히 사용하는 소자를 구성하는 것이다.
이 점에서 슈퍼 하이테크(high tech) 태양 전지들에서 주요 관심사는 우주선과 같은 아주 특별한 응용들이다. 그러나, 모든 기술들을 가지고 있을 때 개선과 대량 생산은 가격을 하락시킬 것이다. 30 년 전 진공 청소기나 자동차 내에 마이크로프로세서를 장착할 것이라고는 상상할 수 없었지만, 현재 이것은 일반적인 일이 되었다.
만약 50% 효율의 태양 전지들이 저가로 제조될 수 있다면 일반 가정집은 지붕 위에 식탁보보다 작은 패널을 가지고 전력을 자가 발전할 수 있을 것이다. 그리고 자유롭게 움직이거 오염을 일으키지 않는 자가 충전 전기차는 매우 실제적으로 가능할 것이다. 아마도 미래에는 자동차를 주차할 때 태양빛이 많은 다층 자동차 주차자의 지붕위에 주차하기 위해 더 많은 돈을 지불해야 할 지도 모른다. GTB

태양발전과 관련한 새로운 전자기술 보고서
새로운 연구에 따르면 마이크로 인버터(Micro Inverters)나 최대전력점 추종제어방식(Maximum Power-point Tracking, MPPT) 을 통한 전력 최적화와 같이 현재 개발되고 있는 새로운 태양발전 관련 전자기술의 적용 분야에 대한 우려가 있는 것으로 나타났다. ‘Shorting Out the Myths of Solar Power Electronics: What Fits and What Fails’이라는 제목을 가진 이번 보고서는 설치업체 및 프로젝트 개발사에게 주거분야, 상업분야, 유틸리티 분야의 각 시장에서 어떤 기술이 최고의 성능을 유지하면서 가장 경제적인지 결정하는데 도움을 주는 다양한 옵션들을 제시하고 있다. 보고서에 따르면 이들 새로운 태양에너지 관련 기술이 특정 분야에서 에너지 수확량을 늘릴 수 있지만, 다른 분야에서는 낮은 효율과 높은 선행투자 비용으로 인해 기술의 장점을 희석시키는 요인이 될 수 있는 것으로 나타났다.
Lux Research 소속이자 이번 보고서의 주 저자인 Matthew Feinstein는 “마이크로 인버터나 MPPT 기술을 제공하는 회사들은 그들의 기술이 전반적으로 혜택을 줄 수 있다는 광범위한 주장을 하고 있다. 비록 이들 기술이 잠재적인 혜택을 갖고 있을 수 있으나, 종종 진정한 가치는 특정한 규모나 태양발전 설비가 사용되는 적용분야에 따라 달라질 수 있다.”고 설명하였다. Lux Research는 분석 과정에서 다양한 인버터와 전력 최적화가 어떻게 LCOE(Levelised Cost of Electricity) 모델에 영향을 주는지 계산하였으며, 이를 통해 태양발전 비용과 다른 발전 기술의 비용을 비교할 수 있었다. 이후 업데이트 된 모델을 주거분야 상업분야, 유틸리티 분야로 각각 나눠진 시장에 적용하여 가장 효율적으로 활용할 수 있는 분야를 구분할 수 있었다.
이번 연구를 통해 얻어진 중요한 결과는 다음과 같다.
◇ 소형 태양에너지 시스템은 증가된 분산형 아키텍쳐(Distri- bution Architecture)에 적합
그리드로 보내지는 가용한 전력을 측정하는 성능 지수(Perfor- mance Factor) 모델에 따르면 소형 태양에너지 응용분야는 분산형 전력전자 아키텍쳐에 적합한 것으로 나타나 마이크로 인버터에 유리하다. 그러나 이러한 추세는 유틸리티 분야에서는 반대인 것으로 나타났다.
◇ 전기비용 분석 결과 시장은 모든 종류의 전력 아키텍쳐를 준비하고 있음
LCOE는 주어진 태양에너지 시스템에서 전력을 생산하는데 필요한 kW-시간당 비용을 나타내는 기준으로 시스템, 설비 설치, 지속적인 유지관리에 대한 선행투자 비용의 순현재가치(Net Present Value)를 설명하고 있다. 적용 분야에 따른 각각의 전력 전자장치의 LCOE를 고려해 보면, 마이크로 인버터는 거주분야, 스트링 인버터(String Inverters)는 상업분야, 중앙식 인버터(Central Inverters)는 유틸리티 분야에 가장 적합한 것으로 나타났다.
◇ 설치업체와 프로젝트 개발사들은 기술의 신뢰성과 수명을 강조
모든 다른 요건들이 같다고 한다면, 설비 설치업체와 제품 개발업체는 인버터 관련 기술에 있어 신뢰도를 가장 중요한 요인으로 뽑았다. 인버터 효율과 시스템 성능은 그 뒤를 따랐다. 또한 향후 개선에 있어 비용 및 관리 편의성이 중요한 분야가 될 것으로 예상된다. GTB
효율성을 극대화할 수 있는 태양전지 기술
3D 나노콘(Nanocone) 기반의 태양전지 플랫폼 설치를 이루어낸 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)의 Jun Xu 연구원 주도의 연구팀은 태양광발전 기술의 핵심인 빛을 전기로 변환하는 설비의 효율성을 거의 80% 정도까지 촉진하였다. 이러한 효율성 향상은 태양전지 분야의 엄청난 진보를 나타내고 있으며, 나아가 태양에너지 산업의 발전에도 큰 영향을 미치게 될 것이다.
이 기술은 실제 태양의 광양자에 의해 발생되어지는 전하(電荷)의 열악한 전이 문제를 극복할 수 있게 해주었다. 이러한 전하들은 - 음(-)의 전자와 양(+)의 정공(正孔) - 전형적으로 거시물질 및 접촉영역 내 부족(결함)에 의해 막힐 수 있다. 그리고 성능 역시 떨어질 수 있다. 오크리지 국립연구소의 화학과학부 구성원인 Xu 연구원은 이와 관련하여 다음과 같이 말하였다.
“태양전지의 효율성을 줄이는 문제를 해결하기 위해 우리는 나노콘 기반의 태양전지를 개발하였으며, 이러한 전지들을 합성하는 방법을 발명하였다. 뿐만 아니라, 충전효율성 개선에도 도달하였다.”
새로운 태양전지 구조는 n-형 나노콘으로 구성되어 있다. n-형 나노콘은 p-형 반도체에 의해 둘러싸여져있다. n-형 나노콘은 산화아연으로 구성되어 있으며, 접합부 프레임워크(framework) 및 전도체로써의 역할을 한다. p-형 반도체는 다결정 카드뮴 텔루리드(polycrystalline cadmium telluride)로 구성되어 있으며, 광흡수부 및 정공도체로써의 역할을 한다.
실험실 규모로 이러한 접근방식을 개발하고 실제 검증을 한 Xu 연구원과 동료들은 3.2% 정도의 빛을 전기로 변환하는 효율성을 가질 수 있게 되었다. 이전의 전통적인 평면구조의 태양전지는 일반적으로 1.8%의 효율성을 가지고 있다. 따라서 현재 개발된 태양전지는 과거에 비해 큰 효율성 증대를 경험할 수 있게 되었다.
이와 관련하여 Xu 연구원은 다음과 같이 말하였다.
“우리는 효율적인 전하의 이동 및 햇빛으로부터 전기로 전환하는 데 있어서의 높은 효율성을 촉진하기 위해 고유의 전기장 분포를 제공하기 위한 3차원의 구조를 설계하였다.”
태양전지를 구성하고 있는 물질들의 주요특성은 효율적인 전하이동을 달성할 수 있는 독특한 전기장을 포함하고 있다; 저렴한 독점적 방식을 사용하고 있는 나노콘의 합성; 그리고 반도체 내 부족현상과 회피현상을 최소화할 수 있는 독특한 전기장을 포함하고 있다. 후자는 태양의 광양자에서 전기로의 변환을 위한 강화된 전기 및 광학적 특성을 제공하고 있다.
효율적인 전하의 이동으로 인해, 새로운 태양전지는 불완전한 물질들을 견딜 수 있으며, 차세대 태양전지를 제조하는 데 들어가는 비용을 줄일 수 있다.
이와 관련하여 Xu 연구원은 다음과 같이 말하였다.
“우리들의 발명 이면에 숨어있는 정말 중요한 뜻은 나노콘의 형태가 접합부 끝 근처에 높은 전기장을 발생시킬 수 있으며, 그로 인해 효과적으로 소량의 담체(擔體)를 분리하고, 주입하고 모울 수 있게 되었다. 이러한 긍정적인 효과로 인해 같은 물질로 구성된 전통적인 평면전지의 효율성보다 더 높은 효율성을 도달할 수 있게 된 것이다.”
이러한 기술의 기본을 형성하고 있는 이번 연구는 올해 미국전기전자학회의 태양광전문가 컨퍼런스(conference)에서 수락이 되어졌으며, IEEE Proceedings지에 게재될 예정이다. 즉, 이번 연구는 외부의 인정을 받은 매우 의미있는 연구이다. 이번 연구의 제목은 “나노콘 필름 태양전지에서의 효율적인 전하 이동(Efficient Charge Transport in Nanocone Tip-Film Solar Cells)” 및 “산화아연 나노콘에서 성장한 다결정 카드뮴 텔루리드 필름 토대의 나노접합부 태양전지(Nanojunction solar cells based on polycrystalline CdTe films grown on ZnO nanocones)”이다. GTB

네덜란드 솔라엑셀
태양전지의 효율 향상
네덜란드의 솔라엑셀(레넨시)은 태양광 에너지의 이용 효율을 대폭 높일 수 있는 박막을 개발했다. 태양전지의 광반사를 적게 하는 기능을 가져, 태양전지 판넬에 사용함으로써 발전효율을 5-25% 정도 높일 수 있다고 한다. 개발한 박막은 태양전지 판넬에 닿는 빛의 파장을 최적화하여 기존의 태양전지 판넬에서도 이용 가능. 현재, 네덜란드에 500만 유로를 투자하여 생산 공장을 건설했으며, 우선은 양산을 위한 테스트와 생산 최적화를 위한 조사를 진행한다. 일간공업

그림 1. 광합성과정과 유사한 방식으로 전력을 생산해 내는 ‘탄소나노튜브-바이오분자’ 자기조립물질
그림 2. 양자점 층은 적외선 내 크게 증가된 반응을 새로운 태양 전지에서 제공한다.