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[영국] 태양열 에너지 생산물질 창조기술 개발
태양열 에너지 분야의 최근 발전에서, 연구진들은 전력 소스로서뿐 아니라 이것을 가능케 하는 태양열 에너지 물질을 직접 생산하기 위해 태양을 이용하는 방법을 개발했다. 오리건 주립대학교(Oregon State University) 화학 엔지니어들이 이루어낸 이 기술혁신은 곧 태양열 에너지 비용을 줄이고 생산 프로세스의 속도를 높이며 친환경적인 물질을 사용하여, 태양을 태양열 장치용 물질뿐 아니라 그것들에 전원을 공급하는 연속적인 에너지를 생산하는 거의 원스톱 숍으로 만들게 될 것이다.
이 연구결과는 영국 왕립 화학회(Royal Society of Chemistry) 저널인 [RSC Advances]에 발표되었고, 국립과학기금(National Science Foundation)의 지원을 받았다.
"이 접근법은 효과가 있을 것이며 매우 친환경적이다. 이 시스템의 일부 측면들은 태양열 에너지 비용의 절감을 계속 유도할 것이며 광범위하게 사용되면 탄소발자국도 줄이게 될 것이다. 이 기술은 태양 소스가 적절하게 있는 곳은 어디에서든지 태양열 에너지 물질을 생산할 수 있으며, 이러한 화하 제조 프로세스는 제로 에너지 특성을 가진다"고 이 대학교 화학공학과 교수이자 이 연구의 선임 저자인 치-훙 창(Chih-Hung Chang) 교수는 말했다.
이 연구결과는 프린팅으로 태양전지를 만드는 나노입자 잉크를 생산하기 위해 연속 플로우의 마이크로리액터를 사용하는 것에 기반을 두고 있다. 대부분 일회분 접근법(batch operations)에 기반을 둔 기존의 접근법의 경우, 시간이 많이 소비되고 비용이 많이 든다.
이 프로세스에서, 시뮬레이션된 태양광선은 신속한 가열을 위해 태양열 마이크로리액터에 초점을 맞추면서도, 최종 제품의 품질 향상을 위해 정밀한 온도 제어를 가능하게 한다. 이 실험에서의 빛은 인공적으로 생성되었지만, 프로세스는 직사광선으로 가능하여 현재 사용되고 있는 접근법 비용의 일부에 불과하다.
"우리가 개발한 시스템은 30분에서 2시간 정도 소요되는 다른 방법과 비교하여 몇 분 이내에 태양열 에너지 물질을 합성시킬 수 있다. 작동 속도 측면에서의 이 효과는 비용을 낮출 수 있다"고 창(Chang) 교수는 말했다.
이 실험에서, 태양열 물질은 구리 인듐 디셀레니드(copper indium diselenide)로 제작되었지만, 재료비용을 낮추기 위해 구리-아연-주석-황과 같은 화합물을 사용하는 것도 가능할 것이라고 그는 밝혔다. 그리고 하루 24시간 작동될 수 있는 프로세스를 창조하기 위해 태양광선은 처음에는 녹은 소금을 창조하는데 사용될 수 있으며, 이것은 나중에 제작을 위한 에너지 소스로서 사용될 것이다. 이것은 태양열 에너지 물질을 창조하는데 필요한 프로세싱 온도에 대한 더욱 정밀한 제어를 가능케 할 것이다.
최신의 칼코겐(chalcogenide)에 기반을 둔 박막필름 태양전지는 이미 실험실에서 약 20%에 달하는 상당히 높은 수준의 태양열 에너지 변환효율성을 달성했으며 비용은 실리콘에 기반을 둔 기술보다 저렴하다고 연구진은 밝혔다. 효율성 분야에서의 추가적인 개선이 가능할 것이라고 그들은 밝혔다.
이러한 태양열 에너지에 대한 박막필름 접근법의 또 다른 장점은, 기존의 실리콘 태양전지 층이 가진 50~100미크론 두께보다 작은 1~2미크론 정도의 태양열 흡수 층을 가진다는 사실이다. 이것은 창문이나 지붕널 또는 다른 부분에 박막필름을 코팅함으로써, 태양열 에너지를 구조체에 통합시키기 쉽게 할 것이다.
이 연구 작업에 대한 추가적인 지원은 오리건 주립대학교 나노사이언스 및 마이크로테크놀로지 연구소(ONAMI, Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute), 오리건 기존 환경 및 지속가능한 기술센터(BEST, Built Environment and Sustainable Technologies Center)에 의해 제공되었다.
[출처: KISTI 미리안『녹색기술정보포털』/ 2014년 4월 16일]
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Energy breakthrough uses sun to create solar energy materials
In a recent advance in solar energy, researchers have discovered a way to tap the sun not only as a source of power, but also to directly produce the solar energy materials that make this possible. This breakthrough by chemical engineers at Oregon State University could soon reduce the cost of solar energy, speed production processes, use environmentally benign materials, and make the sun almost a "one-stop shop" that produces both the materials for solar devices and the eternal energy to power them.
The findings were just published in RSC Advances, a journal of the Royal Society of Chemistry, in work supported by the National Science Foundation. "This approach should work and is very environmentally conscious," said Chih-Hung Chang, a professor of chemical engineering at Oregon State University, and lead author on the study. "Several aspects of this system should continue to reduce the cost of solar energy, and when widely used, our carbon footprint," Chang said. "It could produce solar energy materials anywhere there's an adequate solar resource, and in this chemical manufacturing process, there would be zero energy impact.
" The work is based on the use of a "continuous flow" microreactor to produce nanoparticle inks that make solar cells by printing. Existing approaches based mostly on batch operations are more time-consuming and costly. In this process, simulated sunlight is focused on the solar microreactor to rapidly heat it, while allowing precise control of temperature to aid the quality of the finished product.
The light in these experiments was produced artificially, but the process could be done with direct sunlight, and at a fraction of the cost of current approaches. "Our system can synthesize solar energy materials in minutes compared to other processes that might take 30 minutes to two hours,"
Chang said. "This gain in operation speed can lower cost." In these experiments, the solar materials were made with copper indium diselenide, but to lower material costs it might also be possible to use a compound such as copper zinc tin sulfide, Chang said. And to make the process something that could work 24 hours a day, sunlight might initially be used to create molten salts that could later be used as an energy source for the manufacturing. This could provide more precise control of the processing temperature needed to create the solar energy materials.
State-of-the-art chalcogenide-based, thin film solar cells have already reached a fairly high solar energy conversion efficiency of about 20 percent in the laboratory, researchers said, while costing less than silicon technology. Further improvements in efficiency should be possible, they said.
Another advantage of these thin-film approaches to solar energy is that the solar absorbing layers are, in fact, very thin - about 1-2 microns, instead of the 50-100 microns of more conventional silicon cells. This could ease the incorporation of solar energy into structures, by coating thin films onto windows, roof shingles or other possibilities.
Additional support for this work was provided by the Oregon Nanoscience and Microtechnologies Institute, or ONAMI, and the Oregon Built Environment and Sustainable Technologies Center, or Oregon BEST.
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