NREL 나노기술 태양전지, 18.2% 효율성 도달
반사방지층 필요성 제거 통해 비용 절감 꾀하다!
편집자 주
미국 에너지부의 국가재생에너지연구소(NREL)에 있는 연구진은 나노기술을 이용해 효율성 18.2%에 달하는 태양전지를 생산했다고 지난 10월 12일 밝혔다. 이는 매우 경쟁력 있는 제품으로, 이 같은 혁신적인 제품 개발은 태양에너지 비용을 줄이기 위한 중대한 한 단계 도약으로 평가되고 있다. NREL은 빛에 의해 생산되는 전기가 여전히 태양전지에서 효율적으로 집광되는 나노구조의 표면을 개발해왔다. 연구진은 실리콘 웨이퍼에 은 나노 부분을 만들고 이를 간단하게 액체에 침수시켜 실리콘 웨이퍼 표면의 각 평방인치 안에 나노 크기의 구멍 수십억개가 생기도록 만들었다. 이 구멍과 실리콘 벽은 빛의 파장보다 더 크기가 작아 빛의 표면 밀도가 갑작스럽게 변화해도 이를 전혀 인식하지 못하고, 따라서 폐기된 에너지 상태로 대기 중에 이를 다시 반사하지 못하게 된다. 연구진은 표면의 화학적 구성과 나노크기를 조절해 이 ‘무반사 실리콘’ 소재에 대해 기록적인 태양전지 효율성에 도달했다.
NREL의 연구진인 지훈 오(Jihun Oh), 하오치 유안(Hao-Chih Yuan), 하워드 브란즈(Howard Branz)의 저작인 이 논문 ‘나노구조에서 운반자 재결합의 조절을 통해 블랙 실리콘 태양전지 효율성 18.2% 효율성에 도달하다’는 현재 네이처 나노기술 웹사이트에서 확인할 수 있다. 일반적으로 태양전지 제조업체들은 전지에 하나 혹은 둘 이상의 반사방지층을 추가해야 하는데, 이로 인해 생산비가 상당히 증가한다.
NREL은 이전에 자신들이 개발한 나노구조가 태양전지의 최대 반사방지층보다 더 적은 빛을 반사한다는 것을 입증한 바 있다. 그러나 현재까지 그들은 다른 실리콘 전지를 능가하는 블랙 실리콘 전지 효율성 증대에 도달하지는 못했다.
지훈 오, 하오치 유안, 하워드 브란즈는 나노구조의 증대된 표면적이 어떻게 해서 전기의 집광을 급격히 줄이고 전지의 전압과 전류를 방해하는지 처음으로 규명해야 했다. 이 연구진은 실험을 통해 넓은 표면, 특히 오제 재결합이라고 하는 과정이 대부분의 나노구조 태양전지에서 광양자의 집광을 제한함을 증명했다. 그들은 나노구조 표면을 통한 전지 작동시 과도한 반도체 첨가 불순물 투입이 오제 재결합의 원인임을 밝혔다.
이 과학적 발견을 통해 그들은 중량이 더 가볍고 더 얇은 도핑을 통해 오제 재결합을 억제할 수 있었다. 이 경량의 도핑과 약간 더 매끄러운 표면의 나노크기를 결합함으로써 그들은 18.2% 효율의 태양전지를 얻었다. 이 태양전지는 검은색이지만 거의 전체 태양 스펙트럼에 이상적으로 반응하는 전지이다. 미국의 에너지부는 미국 경기 부양법을 통해 연구비를 지원했다. 이 연구비의 혜택을 받은 주 연구자로서 브란즈는 “이 연구는 나노선과 나노영역에 기초한 일반적인 기존의 태양전지와 새롭게 떠오르는 태양전지에 큰 영향을 미칠 것이다. 이 연구를 통해 최초로 정말로 대단한 태양전지가 나노구조의 반도체에서 만들어질 수 있음이 입증됐다”고 말했다.
브란즈는 “이 결과를 일반적으로 산업에 적용하고 그런 후에는 20% 이상의 효율성을 달성하는 것이 다음 과제이자 도전이다. 그런 후에는 이런 종류의 나노구조 기법이 훨씬 더 두께가 얇은 전지에 사용돼 반도체 소재를 덜 사용하는 때가 오기를 기대한다”고 덧붙였다. 그리고 유안은 “이제 우리는 표면적과 도핑을 함께 최적화하는 것이 어떻게 효율성 개선에 기여하는지를 보여주는 명확한 연구결과를 갖게 됐다”고 말했다. 그는 또한 “표면적과 표면 근처의 도핑 농도는 나노구조의 태양전지 성능에 영향을 미친다”고 설명했다.
제1 저자인 지훈 오는 NREL의 박사후 과정 연구원으로서 “NREL 연구는 잘 조직된 나노구조의 표면과 훌륭한 처리의 적절한 조합을 통해 원치 않는 태양빛의 반사를 줄이면서도 비용절감을 할 수 있음을 분명히 보여준다”고 말했다. NREL은 미국 에너지부의 신재생에너지와 에너지 효율성 연구 개발을 위한 국가 연구소이다. NREL은 지속가능한 에너지, LLC를 위한 협력에 의해 미국 에너지부에서 운영된다.
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