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미국과 이탈리아 연구진은 태양 에너지를 효율적으로 수집하고 이것을 전력으로 변환시킬 수 있는 창문을 구현하는데 한 걸음 더 다가갈 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 이번 연구진은 발광성 태양열 집광장치(luminescent solar concentrator, LSC) 속에 실리콘 나노입자들을 삽입했다. 이 연구결과는 광전지 창문과 기타 에너지 수집 표면을 만드는데 매우 유용하게 적용될 수 이을 것이다. 광전지 창문은 에너지를 생성할 수 있는 표면적을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. LSC 기반의 창문은 광전지 셀이 창문 프레임 속에 숨겨져 있기 때문에 부피가 큰 다른 구조물을 필요로 하지 않는다. 이것은 환경과 미적으로 조화를 이룰 수 있게 한다. 미네소타 대학(University of Minnesota)과 밀라노-비코카 대학(University of Milano-Bicocca)의 연구진은 실리콘 나노결정 또는 콜로이드 양자점이 LSC를 위한 우수한 재료라는 것을 발견했다. 실리콘은 지구상에서 풍부하게 존재하고, 비독성이며, 광전지를 위한 우수한 광학적 특성을 가지고 있다. 나노크기 실리콘은 특정 주파수에서 빛을 효율적으로 방출하지만 동일한 주파수에서 빛을 잘 흡수하지 못하는 특성을 가지고 있다. 이것은 흔치 않은 물리적 특성이고 적용에 큰 장애물로 작용한다. 이번 연구진은 결정을 원자 수준으로 성장시키기 위해서 플라즈마 반응기 속에서 실리콘 양자점을 만들었다. 그 후에 플라즈마 반응기에서 건조된 분말 실리콘을 수집했고, 발광하는 투명 실리콘 잉크를 만들기 위해서 입자 표면을 용액 속에서 화학적으로 처리했다. 이 방법은 라디칼 중합 개시제와 양자점의 유해한 상호작용을 최소화하기 위해서 일반적인 셀-주조 합성 기술(cell-casting synthesis technique)을 사용했다. 양자점을 PLMA와 결합함으로써 뛰어난 광학적 품질을 가진 경질의 유연한 고분자 슬래브(slab)를 얻을 수 있었다. 입자가 방출하는 대부분의 빛은 슬래브 속에 포집되고, 작은 모서리 부분에서만 빠져 나오게 된다. 이러한 제조 기술은 자외선과 100℃의 고온에서도 안정적인 실리콘-양자점을 만들 수 있게 한다. 또한 나노결정 직경을 조절함으로써 방출 파장을 선택할 수 있었다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과, 플라스틱 슬래브의 첨가량을 조절함으로써 LSC의 성능을 두 배 이상 향상시킬 수 있다는 것을 알게 되었다. 이번 연구진은 실제로 반투명 광전지 창문을 만들 예정이다. 이런 목적을 달성하기 위해서 올해 말까지 완벽하게 작동하는 프로토타입을 만들 계획이다. 태양전지는 화석연료의 고갈과 화석 연료를 사용함으로써 발생하는 이산화탄소(온실가스)의 양을 감소시키는데 크게 기여할 수 있지만, 높은 비용과 낮은 효율 때문에 폭발적으로 수요가 증가하지 못하고 있다. 이번 연구진은 창문에 태양전지를 설치할 수 있는 새로운 기술을 개발했는데, 이 연구는 태양전지의 수요를 증가시키는데 크게 기여할 것이다. 이 연구결과는 저널 Nature Photonics에 ldquo;Highly efficient luminescent solar concentrators based on earth-abundant indirect-bandgap silicon quantum dots rdquo; 라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/nphoton.2017.5). |
