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태양 전지에 대한 더 나은 효율 진

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현재 태양 전지의 효율은 이론적 효율보다 훨씬 떨어지지만, 그 원인은 잘 탐지되지 않고 있다. 이제 미국 메릴랜드 대(University of Maryland)가 이끄는 연구팀이 개발한 새로운 영상 진단 기술은 이러한 효율 저하의 원인을 찾고 이를 교정하는 것을 가능케 하여 태양 전지의 효율을 신장시킬 것을 약속한다. 

이론적 분석에 따르면 현재의 태양 전지 기술은 적어도 30퍼센트의 효율로 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있어야 한다. 그러나 현재의 태양 전지 셀이 가지는 실제 효율은 약 20퍼센트 정도에 불과하다. 따라서 태양 전지 패널은 이론적 최대치보다 1/3이 적은 전력을 생산한다. 

"학계 및 산업계의 연구자들은 우리 팀이 개발한 새로운 영상 기법을 활용하여 태양 전지가 어디에서 효율을 잃는지를 진단하고, 가정과 기업에서 태양 전지 패널을 설치한 소비자들이 경험하는 실제 효율과 이론 효율 사이의 간격을 메울 수 있을 것”이라고 메릴랜드 대의 재료과학 및 공학과(department of materials science & engineering)와 전자학 및 응용 물리학 연구소(IREAP: UMD Institute for Research in Electronics and Applied Physics) 소속인 마리나 레이트(Marina Leite) 조교수가 말했다. 

태양 전지 효율은 태양광 아래에서 태양 전지에 의해 생성된 달성 가능한 최대의 개방 회로 전압(open-circuit voltage)에 의존한다. 개방 회로 전압은 임의의 광전 변환 장치(photovoltaic device)가 얼마나 잘 동작하는지를 결정하며, 연구자들은 태양 전지 효율에서 어떤 공정을 더하거나 뺄지를 분석하기 위하여 이 개방 회로 전압을 측정하고 영상화할 수 있어야 한다. 

마리나 레이트 조교수와 그녀의 연구팀이 제시한 새로운 주변 온도 영상 기법은 표면의 조성과 전자적 상태를 결정하는데 사용되는 비접촉 및 비파괴 영상 기법인 조명 켈빈 탐침력 현미경(illuminated Kelvin Probe Force Microscopy)의 변종이다. 전통적으로 조명 켈빈 탐침력 현미경 기법은 고체 표면을 스캔하고, 탐침 팁과 고체 표면 사이의 전위 차를 측정하기 위하여 레이저 다이오드를 사용한다. 

마리나 레이트 조교수 연구팀은 이 통상적인 영상 기법을 활용하여 준 페르미 준위 분리(quasi-Fermi level splitting)에 대한 측정을 통하여 광전 변환 장치에서의 개방 회로 전압과 켈빈 탐침력 현미경 측정법 사이의 직접적인 연관성을 증명하였다. 

이러한 간접적인 측정으로 말미암아 마리나 레이트 조교수 연구팀은 개방 회로 전압이 변화하는 나노미터 규모의 해상도에서 정밀하게 측정할 수 있었다. 

태양 전지 셀의 효율을 결정하기 위한 이전의 영상 기법은 70켈빈(섭씨 영하 203.8도)의 극저온 하에서 진공 상태로 수행되어야 했다고 연구자들은 말했다. 

“우리가 개발한 새로운 기법은 태양 전지 셀의 효율에 대한 기존 문헌에서 중요한 틈을 메워서 개방 회로 전압을 측정하기 위한 간단하고 보편적이며 정확한 방법을 제공한다”고 마리나 레이트 조교수 연구팀이 강조하였다. 

마리나 레이트 조교수 연구팀이 수행한 연구결과는 진보된 에너지 재료와 관련된 한 국제 학술지(Advanced Energy Materials)의 2015년 12월 9일자 표지를 장식하며 출판되었다.

[관련 논문의 서지 정보]
Elizabeth M. Tennyson, Joseph L. Garrett, Jesse A. Frantz, Jason D. Myers, Robel Y. Bekele, Jasbinder S. Sanghera, Jeremy N. Munday and Marina S. Leite, "Solar Cells: Nanoimaging of Open-Circuit Voltage in Photovoltaic Devices," Advanced Energy Materials, Vol. 5, No. 23, 9 December 2015, DOI: 10.1002/aenm.201570123

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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