Power, Energy
실리콘 마이크로 와이어를 이용한 태양전지 ? 효율 향상 연구결과 얻어
장종엽엔에스
2010. 1. 20. 12:17
| KISTI 『글로벌동향브리핑』 2010-01-11 | ||||||
Science에 실린 이번 논문의 공저자인 캘리포니아 공과대학 (Caltech) 화학과 Nathan Lewis교수는 지금까지 와이어를 이용한 태양전지는 배열 상태 (array level)에서 1~2 퍼센트의 효율밖에는 보이지 못했으며 그 이상의 효율 달성 가능성에 대해서는 근본적 의문이 있었지만, 이 들의 연구결과로 3퍼센트의 효율을 달성함과 동시에 10퍼센트 이상도 얻지 못할 이유가 없음을 보여주었다고 밝혔다. 실리콘 나노와이어는 실리콘 기재 위에서 작은 금 액적 (gold droplet)을 이용해 성장시킨다. 금은 나노와이어 성장의 훌륭한 촉매이기도 하지만, 와이어 내부의 전자 전달을 방해하는 것으로 생각되는 불순물을 도입시켜 전체적인 효율이 떨어지게 만들기도 한다. Lewis 연구팀은 금 대신 구리 (copper)를 촉매로 사용했으며 그 결과 이전에 비해 거의 두 배의 효율을 얻을 수 있었다. 이들은 실리콘의 순도가 높아져 전자 전달 용량이 커진 점이 효율이 올라간 원인인 것으로 생각하고 있다. 연구팀은 나노와이어 배열의 충전율 (packing fraction)을 4퍼센트로 유지했는데, 4퍼센트의 충전율이란 표면의 4퍼센트에만 와이어가 성장되어 있고, 96퍼센트는 비어 있어서 태양광을 전기로 변환시킬 수 없다는 뜻이다. Lewis는 단순히 충전율을 15~20 퍼센트로 올리기만 해도 효율이 4배정도 상승할 것으로 예상하고 있다. 하지만 캐나다 맥마스터 대학교 (McMaster University)의 Ray LaPierre는 그렇게 간단하지는 않을 것이라고 전망하면서, 포토리소그래피 (photolithography)를 이용하면 충전율을 올리는 것은 가능하지만, 상업용 태양전지를 만들기에는 너무 높은 비용이 들어갈 것이라고 설명했다. LaPierre가 지적하는 또 하나의 문제점은 와이어의 전자 전달 능력 부족이 효율 향상에 문제가 될 수 있다는 것이다. 태양광에 의해 와이어에 생성된 전자는 전류를 만들기 위해 이동해야 하는데 와이어의 표면에 쉽게 포획되어 (trapped) 전체적인 효율이 떨어질 수 있다. 박막 태양전지도 이 문제점을 극복해야 하지만, 단위 부피당 표면적이 넓은 나노와이어 태양전지의 경우가 더 심각한 문제가 된다. Lewis 연구팀은, 하지만, 이들이 성장시킨 와이어는 지름이 1.6 마이크로미터로 일반적 태양전지용 나노와이어에 비해 1000배 이상 두꺼우며, 모델링에 의하면 두께로 인해 부피당 표면적 비율이 낮아지고 와이어의 전자 전달 능력이 올라가게 된다고 한다. 미국 국립 재생 에너지 연구소의 Matthew Beard는 와이어가 비교적 높은 표면적을 가지고 있어 태양 에너지를 수소연료로 변환시키는데도 사용될 수 있다고 밝혔다. 높은 표면적과 낮은 원료가격을 감안하면 물을 수소로 분해시키는 전극으로 직접 사용될 수 있다는 것이다. 하지만 Beard도 저렴한 박막 태양 전지 기술이 이미 10~12 퍼센트의 변환 효율을 보이고 있는 점을 생각하면 마이크로 와이어 기술은 경쟁이 쉽지 않을 것이라면서, 단 와이어의 소재인 실리콘은 고효율 박막 태양전지의 소재인 카드뮴 (cadmium)이나 텔루라이드 (telluride) 보다 쉽게 얻을 수 있는 장점도 있다고 덧붙였다. [그림] 구리 촉매를 이용해 성장시킨 마이크로 와이어 태양전지
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