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- 태양전지의 효율을 66%까지 높이는 수법 ‘양자영 상태(量子影?態)’의 발견으로 가능성이 열어 -
자연 에너지를 이용한 발전의 주목도가 높아지는 중 미국 대학 연구팀이 태양광을 효율 좋게 전기 에너지로 변환하는 새로운 수법을 발표하였다. 태양전지의 변환 효율을 기존 2배로 높일 수 있을 가능성을 발견하였다고 한다.
‘quantum shadow-state(양자영 상태)’로 부르는 양자 상태의 발견에 의해서 태양전지의 변환 효율을 배증할 수 있을 가능성이 나왔다. 이러한 quantum shadow-state에서는 광전자 에너지 변환으로 고에너지 상태의 전자 2개가 생성된다고 한다. 미국 텍사스 대학 Austen 교의 화학과 교수인 Xiaoyang Zhu 교수가 주도하는 연구팀이 발표하였다. Zhu 교수는 태양 에너지 변환의 메커니즘을 연구하고 있어 과학 잡지 `Science`에 그 최신의 성과가 게재되었다.
Zhu 교수 등 연구팀은 유기 플라스틱 반도체 재료인 펜타센(pentacene)(지식리포터 주 1)을 이용하면 태양광 광자 1개로부터 꺼낼 수 있는 전자의 수를 배증할 수 있는 것을 발견하였다.
Zhu 교수는 발표 자료에서 “플라스틱 반도체를 이용하여 태양전지를 제조하는 것에는 큰 이점이 몇 가지 있다. 그 하나는 비용이 낮게 할 수 있는 점이다. 이번 우리의 발견에 분자 설계나 분자 합성을 조합하면 태양 에너지 변환에 있어서의 참신한 시도를 할 수 있다. 태양전지의 효율을 비약적으로 높일 수 있을 가능성이 있다”고 언급하였다.
실리콘(Si) 재료를 사용하는 기존 태양전지에 있어서의 이론상 변환 효율은 최대 31%라 한다. 태양전지에 조사되는 광에너지의 대부분이 이용 가능한 전력으로 변환할 수 있는 파장은 아니기 때문이다. 이러한 에너지는 열로서 잃게 된다. 하지만 Zhu 교수 등의 연구팀에 의하면 열여기한 핫 일렉트론(hot electron)의 에너지를 파악할 수 있으면 태양광을 전력으로 변환할 때의 효율을 66%까지 높일 수 있을 가능성이 있다고 한다.
Zhu 교수 등의 연구팀은 이미 반도체 나노 결정을 이용하여 핫 일렉트론을 파악할 수 있는 것을 실증하고 있어 그 성과를 2010년에 Science 잡지에서 발표하고 있다. 다만 Zhu 교수는 그 수법을 실용적인 기술에 전개하는 것은 매우 어렵다고 한다. 그 주된 이유로서 통상의 태양광 패널에 해당되는 자연광이 아니고 집광한 태양광이 필요하게 된다는 점을 들고 있다.
여기서 이번 Zhu 교수 등의 연구팀은 대체할 수 있는 새로운 방법을 고안하였다. 펜타센 중에서는 광자가 1개당 1개의 quantum shadow-state를 만들어 낸다. 이러한 상태에서 2개의 전자를 높은 효율로 파악할 수 있어 보다 많은 에너지를 생성하는 것이 가능하다고 한다.
광자가 흡수되면 엑시톤(exciton, 여기자)을 생성한다. 엑시톤이란 반도체 중에서 여기 상태에 있는 전자와 홀(hole)이다. 여기서 생성된 엑시톤은 양자 역학적으로 결합하여 멀티 엑시톤으로 부르는 quantum shadow-state를 형성한다. 그리고 멀티 엑시톤이 전자 수용체에 전이할 때 2개의 전자를 효율적으로 발생시키는 메커니즘이다. Zhu 교수 등의 이번 연구에서는 전자 수용체로서 60개의 탄소 원자로부터 완성되는 풀러린(fullerene)(지식리포터 주 2)을 이용하였다. 연구팀에 의하면, 풀러린을 사용함으로써 이번 태양광을 집광시키지 않고 펜타센을 이용한 태양전지의 변환 효율을 44%까지 높일 수 있었다고 한다.
이 연구팀에서 주도적인 역할을 담당한 사람은 Zhu 교수의 연구 그룹에서 박사 연구원을 맡는 Wai-lun Chan 씨이다. 그리고 같은 박사 연구원인 Manuel Ligge 씨, Askat Jailaubekov 씨, Loren Kaake 씨, Luis Miaja-Avila 씨가 보조 연구원으로서 참가하였다고 한다.
(지식리포터 주 1) 펜타센(pentacene)
5개의 벤젠 환(環)이 직선 모양에 축합한 다환 방향족 탄화수소이다. 빛이나 산소에 민감하다. 펜타센은 암청색의 분말이지만 산화하면 녹색을 띠게 된다. 보통 시판되고 있는 것은 외측의 층이 산화되고 있기 때문에 초록을 띠고 있다. 펜타센의 정제에는 진공 승화 또는 흡착 크로마토그래피가 이용된다.
(지식리포터 주 2) 풀러린(fullerene)
최소의 구조가 다수의 탄소 원자로 구성되는 클러스터의 총칭이다. 구조의 시작이 14개의 다이아몬드 및 6개의 그래파이트(graphite)와 달리 수십 개의 수의 원자로부터 시작되는 탄소 원소 동소체이다.
출처 : http://eetimes.jp/ee/articles/1201/05/news044.html |