새로운 탄소 나노튜브 태양전지를 형성하기 위해 연구진은 나노튜브를 제조한 후 원치 않는 금속성 튜브에서 유용한 반도체성 나노튜브를 분리했다. 또한 나노튜브의 밴드갭(Bandgap) 혹은 튜브가 흡수하는 파장을 결정짓는 직경에 따라 튜브를 분리했다.

최근 위스콘신대(University of Wisconsin-Madison) 연구진은 탄소 시트가 1nm 직경의 실린더 형태로 말려 있는 탄소 나노튜브(Carbon Nanotubes)로부터 어떻게 저렴하고 효율적인 태양전지를 제조할 수 있는지에 대해 연구했다. 현재 많은 연구자들이 기계 및 전자소자 분야에서 나노튜브의 이용법에 대해 연구하고 있지만, 재료 공학자인 마이클 아놀드(Michael Arnold) 연구진은 탄소 나노튜브를 태양에너지 분야에 적용한 최초의 사람들 중 한 명이다. 그들은 대규모 생산이 가능하고 저렴하며, 안정하고 효율적인 광전압 태양전지(Photovoltaics) 기술을 도출하기 위해 새로운 재료와 방법을 개발하고 있다. 반도체성 탄소 나노튜브는 광전압 전지에 이상적인 전자 및 광학 성질을 갖고 있기 때문에 연구진은 이를 바탕으로 연구를 진행했다. 탄소는 자연계에서 풍부하고 저렴한 원소이기 때문에 태양전지 재료로 촉망되며, 특히 탄소 나노튜브의 경우 우수한 전기 전도성과 강한 광흡수성을 갖고 있다. 현재 대부분의 태양전지는 흡수된 태양빛의 10~30%만을 전기로 변환시키는 실리콘을 사용한다. 이러한 수준의 효율은 우수한 편이지만, 실리콘 전지 자체가 고가라는 문제가 있다.

가격 문제는 실리콘 전지의 가장 큰 화두인데, 킬로와트와 시간 당 비용은 20년을 기준으로 볼 때 석탄을 이용하는 것의 5배이다. 따라서 사람들은 태양전지의 이용에 관심이 없다. 연구진은 탄소 나노튜브를 이용해 적은 비용으로 실리콘 태양전지의 효율성에 근접할 수 있는 방법을 찾으려 노력해 왔다. 태양은 1제곱야드 당 1천와트를 발생시키기 때문에 중요한 에너지 원천이다. 약 20%의 효율을 갖는 태양전지는 맑은 날에 1제곱야드 당 200와트를 생성할 수 있기 때문에 평균 40제곱야드의 지붕을 태양전지로 코팅하면 가정에서 평균적으로 필요한 에너지를 충당할 수 있다. 국가적인 발전소에서 효과를 발휘하기 위해선 사막 지역에 태양전지 설비를 광대하게 건설하는 것으로 예상될 수 있다. 새로운 탄소 나노튜브 태양전지를 형성하기 위해 연구진은 나노튜브를 제조한 후 원치 않는 금속성 튜브에서 유용한 반도체성 나노튜브를 분리했다. 또한 나노튜브의 밴드갭(Bandgap) 혹은 튜브가 흡수하는 파장을 결정짓는 직경에 따라 튜브를 분리했다. 특정 밴드갭은 태양광을 흡수하는데 있어 기존 재료보다 이상적이다. 유용한 나노튜브를 분리한 후 연구진은 이를 반도체성 고분자로 감싸 튜브가 용해될 수 있도록 했다. 이후 그들은 나노튜브와 고분자의 복합체를 용액에 혼합시킨 후 이를 인듐 주석 산화물(Indium-Tin-Oxide)이 코팅된 투명한 유리 기판에 박막 형태로 스프레이 했다. 최종적으로 전지를 완성하기 위해 탄소 나노튜브 상부에 음극과 전자 수용 반도체가 도포됐다. 새로운 태양전지를 제조하는데 있어서 연구진은 다양한 근본적 질문들을 해결해야 했다. <KISTI GTB> 자료

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