태양전지 효율성 향상 기술 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-05

스웨덴 룬드 대학교(Lund University)에서 최근에 시행한 연구에 의하면, 연구진들은 태양전지 내부에서 극도로 신속한 프로세스 연구를 위해 새로운 기술을 사용했다. 이 연구결과는 더욱 효율적인 태양전지 개발을 위한 굳건한 한 단계 진전이 될 것이다. 일반적인 태양전지의 효율성 상한선은 약 33%이다. 그런데 이제 연구진들은 그 제한을 40% 이상 상승시킬 가능성을 보고 있으며, 이를 통해 태양에너지 소스의 가능성은 상당히 개선될 것이다. 이 연구 과정에서의 실험에는 광 입자와 같은 광양자와 전자를 양자 준위(Quantum level)에서 저글링(juggling)하는 것과 관련이 있다. 양자 준위란 개별 원자와 그들의 빌딩 블록에 의해 형성되는 세계의 축소판을 말하는 것이다. 입자를 저글링(juggling)하는 과정에서, 연구진들은 자연의 법칙이 우리의 현실 세계에서 사용되는 것보다 양자 준위에서 사용되는 것이 약간 다르다는 사실을 이용했다. "우리는 실제로 이것이 작동되는 방식에 약간 놀랐다"고 이 대학교 화학물리학 교수인 퇴누 풀레리츠(Tőnu Pullerits) 교수는 말했다. 연구결과에서, 퇴누 풀레리츠(Tőnu Pullerits) 교수와 동료는 양자점이라고 불리는 물질의 나노미터 크기의 공 형태를 포함한 태양전지를 검토했다. 이 양자점은 반도체 물질의 개별 인공 원자에 비유될 수 있다. 태양광선이 양자점에 부딪힐 때, 2개의 전자가 하나의 광양자에서 추출될 수 있고 이것은 태양전지의 효율성을 향상시킬 수 있다. "이것은 태양전지의 급격한 개선을 의미할 수 있다"고 풀레리츠(Pullerits) 교수는 말했다. 이 효과에 대한 설명은 양자 수준에서 입자를 제어하는 양자 메카닉스의 법칙에 있다. 이 현상은 양자 결맞춤(quantum coherence)이라고 불리고 어떠한 방해물도 없이 거의 완벽한 에너지 흐름을 생성하는 일종의 에너지 흐름 형태를 이끌어 낼 수 있다. 양자 결맞춤(quantum coherence)은 동시에 모든 가능한 방법을 검토하여 에너지 흐름이 가장 짧은 방법을 찾아내어 가장 최선의 방식을 알아낼 수 있다는 가능성을 연다. 이러한 가정을 확장시킨다면, 당신은 슈퍼마켓에서 대기해야 하는 줄을 피하고자 비교할 수 있어, 모든 대기 줄에 기다리는 것이 아니라 가장 빨리 움직이는 줄을 선택함을 의미한다. 현실에서는, 이러한 프로세스는 극도로 빠르다. 즉, 이 현상은 양자 세계에서는 1초의 몇조 분의 일 정도에 달하는 시간에 발생한다. 연구진들 사이에서는 이 현상이 태양광선을 캡처하는 특정한 광합성 유기체에 의해 사용될 수 있는지에 대한 논의가 진행 중이다. 최근 몇 년에 걸쳐, 퇴누 풀레리츠(Tőnu Pullerits) 교수와 그의 동료는 더욱 효율적인 태양전지를 위해 이 기술을 이용하려고 양자 결맞춤(quantum coherence) 현상을 이해하고 제어하기 위한 연구를 수행했지만, 이 연구결과는 미래의 고속 양자 전자장치와 같이 전자와 광양자의 이동과 상호작용이 결정적인 요소인 경우의 다른 분야에 사용될 수 있다. 현재 진행된 연구는 룬드 대학교와 미국 오리건 주의 연구진들 간의 협업으로 이루어진 것이다. http://www.energyharvestingjournal.com/articles/quantum-world-without-queues-could-lead-to-better-solar-cells-00007221.asp