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 태양 전지를 손쉽게 저렴한 비용으로 이용할 수 있는 개혁이 초래된다는 재생 가능 에너지의 과학적 진보가 발표되었다. 최신 연구 성과에 의해 매우 간단하고 저렴한 제조 방법으로 태양 전지 구조를 만들 수 있다는 것, 즉, 유연한 재료층이 폴리에틸렌 랩과 같이 광범위하게 도포되는 것으로 변환 효율 좋은 태양 전지를 만들 수 있다는 것이 밝혀졌다.
Advanced Energy Materials 잡지에 공개된 연구 결과는 새로운 태양 전지 제조 기술과 재생 가능한 태양 에너지 발전에 대한 길을 제시하고 있다. 셰필드 대학과 케임 브리지 대학의 과학자들은 옥스포드에있는 STFC, 러더 포드 애플턴 연구소, ISIS 뉴트론 소스 (ISIS 중성자)와 다이아몬드 라이트 소스 (영국 최대의 과학 연구 시설)을 이용하여 연구를 실시했다. 플라스틱 (폴리머)로 만든 태양 전지의 제조 비용은 기존의 실리콘 태양 전지보다 훨씬 낮은 비용으로 대량 생산이 기대된다. 연구 성과는 용액 내에서 복잡하게 혼합된 분자 테이블 표면에 니스가 퍼지고 다른 분자가 층의 상단과 하단 분리함으로써 궁극적으로 완성된 태양 전지의 변환 효율이 최대가 된다.
셰필드 대학의 Anderw Parnell 박사는 이렇게 말한다. "우리의 연구 성과에 의해 일반 가정 및 산업용 초저비용의 태양광 발전 패널의 대량 생산이 가능해진다.”
복잡하고 고가의 제조 방법으로 특수 반도체 나노 구조를 만드는 것이 아니라 대량 생산을 위한 인쇄 기술을 이용하여 인간의 모발의 1000 배보다 얇은 나노 스케일 (60 나노미터)의 태양 전지 필름을 만들 수 있다. 이 필름을 이용하여 태양 전지판과 같은 태양 전지 장치가 비용 효율이 좋고, 가볍고, 운반이 간단하게 되는 것이다.
이 연구에 종사한 ISIS 과학자의 한 사람인 Robert Dalgliesh 박사는 말한다. "이 연구 성과는 현대의 사회적인 난제를 해결하려면 ISIS가 제공하는 중성자와 다이아몬드가 제공하는 X 선 산란을 함께 이용할 수 중요성을 명확하게 나타내고 있다. ISIS 뉴트론 중성자 빔와 다이아몬드의 고휘도 X 선을 사용함으로써 태양광 전지 재료의 내부 구조와 특성을 파괴하지 않고 면밀하게 확인할 수 있었던 것이다. 태양광을 전기로 변환하는 재료의 층을 확인하여 처리 단계가 다르면 전체 셀 변환 효율이 어떻게 변화 폴리머 태양 전지 전체의 성능에 어떻게 영향을 미치는지 연구를 진행 중이다.”
셰필드 대학의 Richard Jones 교수는 이렇게 말한다. "향후 50 년 동안 사회는 화석 연료를 사용하지 않고, 세계 인구 증가에 따라 높아지는 에너지 수요에 대응해 나갈 필요성에 직면하고 있으며, 이것을 가능하게 하는 재생 가능 에너지 자원은 태양 에너지뿐이다. "또한 그는 "태양에서 지구에 쏟아져오는 2 ~ 3 시간 정도의 태양광 에너지는 연간 지구가 필요로 하는 에너지 수요는 충족되지만, 현재 가능한 수준보다 훨씬 큰 스케일이 태양 에너지를 활용할 필요가 있다. 저비용으로 변환 효율이 좋고, 매우 광범위를 커버할 수 있는 폴리머 태양 전지, 새로운 재생 가능 에너지 시대로 우리를 이끌어 줄 것이다." 라고 밝혔다.
이 연구는 영국의 연구 조성 기관인 공학 및 물리 과학 연구 협의회 (EPSRC)의 승인을 얻어 연구가 진행 중이다. 폴리머 태양 전지 재료의 구조와 기능 연구가 진행 중이며 이 외에도 대량 생산과 미래 상업 전개를 시야에 넣은 새로운 재질과 혁신적인 프로세스를 검토하기 위해 이 공동 연구는 최근 새로운 자금이 투자되었다.
1) 태양 전지에 대한 자세한 정보
태양 전지는 저비용 재생 가능 에너지를 생성하는 데 사용되는 반도체 소자이며, 태양열 패널이 가장 일반적이다. 태양광이 태양 전지에 닿으면 빛이 흡수되어 그 에너지는 전기에 변환된다. 많은 태양 전지는 실리콘으로 만들어져 있지만, 장치는 플라스틱으로 만드는 것도 가능하다 (유기 태양 전지 장치).
플라스틱 필름은 전체적으로 대폭적인 에너지 절약 및 비용 절감이 가능하며 저비용 "roll to roll"인쇄 기술을 이용하여 용액의 도포가 가능하다. 이것은 필름이 신문을 인쇄하는 방법과 같은 일련의 과정을 거쳐 마지막으로 역할에서 제거된다. 현재는 이러한 기술을 이용한 제품이 존재하고 있다. 그러나 이러한 기술의 이용을 더욱 늘리기 위해서는 보다 효율을 높일 필요가 있다. 폴리머 태양 전지의 에너지 변환 효율은 현재 7 ~ 8 %이다.
공동 연구에 의해 수행된 연구에 사용된 자료는 PCDTBT 이라고 칭한다. PCBM는 Richard Smalley 교수와 Harry Kroto 교수 외에 이 노벨상을 수상한 C60 백 민스터 ? 풀러렌 즉 버키 볼 (buckyball) 형상에 관한 연구 성과를 바탕으로 만들어진 자료이다. 다이아몬드 라이트 소스 측정 장치를 이용한 고휘도 X 선 같은 재료의 결정 조직의 연구에 사용되며, 또한, ISIS 중성자가 같은 재료의 조성 연구에 사용되었다.
2) ISIS
ISIS은 자연 생명 과학 분야에서 세계 최고 수준의 연구 시설이며, 영국 옥스포드 근처에 있는 STFC 러더 포드 애플턴 연구소 내에 있다. 중성자 중간자 측정 장치는 원자 수준에서 재료의 특성을 이해할 수 있다.
3) 다이아몬드 라이트 소스
다이아몬드 라이트 소스 STFC 통해 영국 정부에서 또한 Wellcome Trust에서도 자금 원조를 받고있다. 다이아몬드 라이트 소스는 매우 강력하고 최고 품질의 X 선, 자외선에서 적외선 범위까지 싱크로 트론 빛을 강력한 핀포인트 빔으로 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 다이아몬드 라이트 소스 X 선 강도는 병원에서 사용되는 표준적인 X 선 1,000 억 배이다.
4) 셰필드 대학
셰필드 대학, 131 국가에서 온 학생 수는 거의 24,000 명으로 영국 최고 최대 규모의 대학이다. 러셀 그룹의 멤버이며, 다양한 전문 분야의 교육과 연구는 세계적 수준이라고 평가받고 있다.
5) EPSRC
공학 및 물리 과학 연구 협의회 (The Engineering and Physical Sciences Research Council: EPSRC)는 영국의 주요 공학 및 물리 과학 분야의 연구 조성 기관이다. EPSRC는 연구와 대학원생의 교육에 연간 약 800 파운드를 후원하고 있으며, 이것은 차세대 기술 혁신에 대한 국가적인 노력에 봉사하고 있다. 이 분야는 정보 기술에서 구조 기술까지, 수학에서 재료 과학의 범위를 커버하고 있다.
(그림 1) 테스트 폴리머 태양 전지 금속 접합은 필름의 다른 부분을 측정할 수 있고 다른 매개 변수에서 장치의 변환 효율을 측정할 수 있다.
(사진 제공: AndrewParnell)
(그림 2) 옥스포드에있는 STFC 러더 포드 애플턴 연구소 (사진 이미지 제공 : STFC)
(그림 3) 태양 전지 내부 레이어 하나에서 중성자가 산란하는 모습. 이 정보를 수학적으로 모델링하여 레이어의 조성과 구조를 이해할 수 있다. 강력한 수평선이 태양 전지에서 거울과 같은 반사 (반사)이다. (사진 제공: STFC)
출처 : http://www.nedo.go.jp/library/report_1076_index.html |