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스마트 나노구조를 이용한 태양전....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-09-23 17:55
조회 567

    스마트 나노구조는 태양전지의 수율을 향상시킬 수 있다. FOM(Fundamental Research on Matter) 재단, 델프트 기술 대학 및 토요타의 물리학자들을 포함한 국제 연구진은 이제 나노구조를 최적화시켜 태양전지가 더 효율적으로 전기를 공급하고 열형태로 에너지를 손실하는 것을 줄일 수 있게 하였다. 새로운 나노물질에서, 2개 또는 그 이상의 전자들은 밴드갭을 가로질러 점프한다. 그 결과, 단일 입자가 흡수된다. 특별한 분자들을 사용하여, 연구자들은 나노구들을 강하게 연결하였다. 그 결과 전자들은 자유롭게 이동할 수 있게 되었으며 전류가 태양전지 안에서 발생하였다.

    전통적인 태양전지는 실리콘 층을 포함한다. 태양빛이 이런 층 안에 입사되면, 실리콘안의 전자들은 태양빛 입자인 포톤 에너지를 흡수하게 된다. 이런 에너지를 이용하여, 전자들은 밴드갭을 가로질러 점프하게 되는 것이다. 그 결과 전자들은 자유롭게 움직여 전류를 발생시킨다. 태양전지의 수율은 포톤 에너지가 실리콘의 밴드갭과 동일할 때 최적화된다. 그러나 태양빛은 실리콘의 밴드갭보다 더 높은 에너지를 가진 많은 포톤들을 포함하고 있다. 이런 잉여의 에너지는 열로 손실되며, 이것은 전통적인 태양전지의 수율을 제한시킨다.

    몇 년 전, 네덜란드 델프트(Delft) 대학 연구진은 다른 연구소의 물리학자들과 공동으로 잉여 에너지가 유용하게 쓰일 수 있다는 것을 보여주었다. 반도체 물질의 작은 구 안에서, 잉여 에너지가 추가적인 전자들이 밴드갭을 가로질러 점프할 수 있도록 해주었다. 이런 나노구들은 이른바 양자점이라고 불리는 것으로, 매우 작은 직경을 가지고 있다. 그러나 지금까지 문제는 전자들이 양자점 안에 포획되어 남아있다는 것이다. 그렇게 됨으로써 전자들이 태양전지 전류에 기여할 수 가 없게 되는 것이다. 그것은 양자점 표면을 안정화시키는 거대 분자들 때문이다. 이런 거대 분자들은 전자들이 양자점으로부터 다음 상태로 점프할 수 없게 만들어 전류 흐름을 차단하는 것이다.

    새로운 디자인에서, 연구진은 거대 분자들을 작은 분자들로 치환하고 양자점 사이의 빈공간을 산화알루미늄으로 채웠다. 이것은 양자점 사이에서 더 많은 접촉을 가능하게 함으로써, 전자들이 자유롭게 움직일 수 있게 되었다. 레이저 분광기를 사용하여, 물리학자들은 단일 포톤이 실제로 연결된 양자점을 포함하는 물질 안에서 몇 개의 전자들을 방출하게 하는 것을 관측하였다. 밴드갭을 가로질러 점프한 모든 전자들은 자유롭게 물질 안에서 돌아다녔다.

    그 결과 이와 같은 물질을 포함한 태양전지의 이론적 수율이 45% 까지 올라갈 수 있었다. 이것은 전통적인 태양전지보다 10%나 더 높은 값이다. 이런 더 효율적인 태양전지는 생산하기가 쉽다. 연결된 나노구의 구조는 층으로 페인트된 형태의 태양전지에 적용될 수 있을 것이다. 따라서 새로운 태양전지는 더 효율적일 뿐만 아니라 전통적인 태양전지보다 더 저렴하다. 이들 연구진은 이제 국제 공동 연구진과 공동으로 이런 디자인을 이용하여 완전한 태양전지를 생산할 계획이다.

    첨부그림: 연결된 양자점. 그 새로운 나노물질에서, 파란 색의 파동으로 표시된 단일 입자 빛이 실리콘에 입사되면 실리콘 안의 두 개 또는 그 이상의 전자들이 밴드갭을 가로질러 점프하게 된다. 즉, 흡수된 에너지가 전자들을 점프시킨다. 특정한 분자들을 이용하여, 네덜란드 연구진은 나노구를 강하게 연결하였다. 그 결과 전자들은 자유롭게 움직일 수 있게 되어 전류가 태양전지 안에서 생성된다.

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