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기하학적 패턴을 이용한 태양 전지....

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글쓴이 최고관리자 등록일 13-01-31 16:33
조회 1,153
    태양 에너지는 거의 무한하지만, 오늘날의 단일 결정 실리콘 태양 전지를 이용한 전기 활용은 매우 비싸다. 이는 석탄보다 약 10배나 더 비싸다고 일부 보고서가 밝혔다. 빛을 흡수하여, 그것을 전기로 전환하는 유기 물질을 사용하는 유기 태양 전지인 폴리머 태양 전지가 아마도 그 해결책이 될 것이다. 하지만 폴리머의 광 전기 속성이 약하기 때문에, 오늘날의 설계로는 무리가 있다. 노스웨스턴 대학(Northwestern University)의 연구진이 좀 더 효율적이고 저렴한 태양열을 산출하는 유기 태양 전지의 새로운 설계를 개발했다. 이전에 시도했던 기술인 태양 전지의 폴리머층 두께를 변화시킴으로써, 그 효율성을 향상시키는 대신에, 연구진은 전지 안에 갇혀 있는 빛의 시간을 최대화하기 위하여 산란 층의 기하학적 패턴을 새롭게 설계하는 방법을 찾았다.

    자연 진화에 기반을 둔 수학적 탐색 알고리즘을 사용하여, 연구진은 얇은 유기 태양 전지 안에 빛을 가두기에 적합한 특별한 기하학적 패턴을 발견했다. 이 결과, 그들의 새로운 설계는 1980년대 반도체 내에 갇힌 광자가 얼마나 지속하는지를 통계학적으로 설명하기 위해 개발된 열역학 한계인 Yablonovitch 한계를 약 3배 넘어섰다. "Highly Efficient Light-Trapping Structure Design Inspired by Natural Evolution"이라는 제목의 이 논문은 1월 3일자 Scientific Reports에 발표되었다.

    새롭게 설계된 유기 태양 전지에서, 빛은 우선 100나노미터 두께의 “산란 층”으로 들어간다. 이는 기하학적인 패턴의 유전체층으로, 전지 내로 전송되는 빛의 양을 최대화하도록 설계되었다. 이 빛은 다시 전기로 전환하는 활성층으로 전달된다. “우리는 최적의 성능을 발휘할 수 있는 산란 층을 기하학적 모양으로 설계하기로 했다. 그러나 우리는 어디서부터 시작해야 할지 몰랐다. 그래서 우리는 자연 선택의 법칙을 고려했다”고 노스웨스턴 응용 과학부서의 조교수인 Cheng Sun이 말했다. 그는 이 논문의 공동 저자이다. 연구진은 유전자 알고리즘을 채택하여, 자연 진화 과정을 모방하는 과정을 찾았다고 Wei Chen 교수가 설명했다. 그는 노스웨스턴 대학의 기계 공학부 교수이자, 이 논문의 연구원이다.

    “이 시스템의 불규칙한 행동과 고도의 비선형으로 말미암아, 우리는 최적의 해결책을 찾기 위하여 지능적인 접근 방법을 사용해야 했다. 우리의 접근 방법은 적자생존의 생물학적 진화 과정에 그 기반을 두고 있다. 우리는 수십 개의 설계 요소를 임의로 채택하여, 그것들이 특정한 광 포획 성능을 결정하기 위한 성과를 분석했다. 이 과정은 20세대 이상에 걸쳐 수행되었으며, 교차혼합과 유전자 변이의 진화 원칙을 적용하였다. 그 결과로 나타난 패턴은 아르곤 국립 연구진에 의해 제작될 것이다.
     
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