미국 스탠포드대학 연구팀, 태양전지 효율 향상시키는 투명 코팅 개발

연구진은 태양전지 산업에서 오랫동안 제기되고 있는 ‘태양전지가 더 뜨거워질수록 태양광 속 광자를 유용한 전기로 전환시킬 수 있는 효율은 낮아진다’는 문제에 대한 해결책을 제시했다. 기존 태양전지 상부에 매우 얇고 패턴이 형성된 실리카 재료를 증착시키는 것이 그 해법이다. 이 실리카는 태양전지에서 전력을 형성시키는 가시광선은 통과시키지만, 적외선 또는 열은 우주공간으로 방출시키는 특성을 가지고 있다.

연구팀 중 한 명인 팬(Fan) 씨는 “태양전지판에서 열은 효율에 부정적인 역할을 한다”면서, “우리의 투명 코팅은 태양광 흡수를 향상시키는 것은 통과시키지만 열은 방출시켜 태양전지를 냉각시킴으로써 태양전지 효율을 향상시킨다”고 설명했다.
이와 관련해 지난 2014년 과학자들은 대기 중 온도를 높이지 않고 적외선 열을 우주공간으로 보낼 수 있는 매우 얇은 재료를 개발해 네이처(Nature) 지에 발표한 바 있으며, 미국 스탠포드 연구팀은 바로 이번 새로운 연구를 위해 이 재료를 적용했다.

연구진은 태양 흡수체 위에 해당 기술을 테스트했다. 태양 흡수체는 전기를 생성하지는 않지만 태양전지의 특성들을 그대로 가지고 있는 장치로, 적외선 형태의 열을 우주공간으로 최대한 방출할 수 있도록 디자인된 마이크론 크기의 패턴으로 덮여 있다.
이 투명 코팅은 태양전지에서 가시광선은 통과시키면서도 적외선은 통과시키지 않아 태양 흡수체의 온도를 55℉까지 냉각시켰다. 20%의 효율을 가진 결정질 실리콘 태양전지의 경우 55℉로 냉각됐을 때 태양전지 효율을 1% 이상까지 향상시킬 수 있다. 이는 곧 에너지 생산에서 상당한 이득을 가진다는 것을 의미한다.

또한, 연구진은 건조하고 맑은 환경에서 새로운 투명한 코팅이 가장 잘 작동한다는 것을 발견했으며, 이 같은 연구결과가 상용화 및 산업적 분야에 적용할 수 있을 것이라고 기대하고 있다. 즉, 나노미터 크기의 패턴을 생성하는 일반적인 기술인 나노프린트 리소그래피(Nanoprint Lithography)를 사용하면, 이 기술을 상용화할 수 있을 것이라는 설명이다.

연구팀 중 한 명인 로만(Raman) 씨는 “비단 나노프린트 리소그래피만이 유일한 방법은 아니며, 향후 이런 유형의 패턴을 제조하는 새로운 기술 및 기계는 더욱 진보할 것이기 때문에 전망은 매우 밝다”고 말했다.
이와 더불어 연구팀 주(Zhu) 씨는 “이 기술은 냉각이 필요하지만 가시광선은 보존할 필요가 있는 옥외 장치 또는 시스템에서 큰 잠재력을 가지고 있다”고 덧붙였다. 그는 “예를 들어, 밝은 적색 자동차의 경우 뜨거운 햇빛 아래에서 달궈지겠지만, 만약 이 투명 코팅을 자동차 상부에 설치한다면 자동차 실내온도를 낮추고 차체를 냉각하는 데 도움이 될 뿐 아니라, 투명하기 때문에 차체 색깔도 그대로 유지할 수 있다”고 설명했다.

이는 색상을 인지하는 데 가시광선을 반사할 수 있는 대상이 필요하기 때문으로, 따라서 이 코팅 재료는 투명해야 할 뿐 아니라, 가시광선 스펙트럼의 모든 광을 흡수할 수 있어야 한다.
이에 대해 주 씨는 “우리의 포토닉스 결정으로 만들어진 투명 코팅은 가시광선에 영향을 주지 않으면서 전자기 스펙트럼의 열적 부분을 사용하는 데 최적의 능력을 가지고 있다”면서, “그 때문에 대상 색상에 영향을 끼치지 않고도 열을 효율적으로 방사할 수 있다”고 밝혔다.

한편, 이 연구결과는 ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’에 ‘Radiative cooling of solar absorbers using a visibly transparent photonic crystal thermal blackbody’라는 제목으로 게재됐다.

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

SOLAR TODAY 편집국(st@infothe.com)

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