| [미국] 태양전지 연구의 돌파구
미국 육군 연구진들이 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 극소형 광전지를 개발하여 특허를 신청했다. 이 특허는 현재의 태양전지에 비해 크기와 비용을 엄청나게 줄인 새로운 종류의 태양광발전 전지이다.
미국 앨라배마 레드스톤 아스날(Redstone Arsenal)에 있는 미국 육군 항공 및 미사일 연구개발공학센터(AMRDEC, U.S. Army Aviation and Missile Research, Development and Engineering Center)의 연구 물리학자인 마이클 스칼로라(Michael Scalora) 박사는 이번 발명을 돌파구로 표현했으며, 그는 추가적인 기술 발전의 기반이 되기를 바란다. 그는 이번 태양전지 개발의 공동 발명가이다.
"저렴하고 콤팩트하며 플렉시블한 효율적인 태양전지는 모든 종류의 국방분야에 영향을 미치는데, 그 이유는 경량의 태양전지는 최종적으로 모든 종류의 장치들 특히, 멀리 떨어진 접근이 어려운 지역에 있는 장치에 전력을 공급하기 때문이다. 효율적이고 콤팩트한 태양전지 개발의 핵심은 나노테크놀로지, 나노-제작방식 그리고 박막 필름 제조 분야의 발전이다. 하나의 결정체에 기반을 둔 실리콘에 기반을 둔 현재의 태양전지는 수년 동안 상당한 발전을 해 왔다"고 그는 말했다.
태양전지(photovoltaic, PV, solar cell)는 가시광선을 직류로 변환시키는 특수한 반도체 다이오드이다. 태양전지는 태양광선이 물질에 의해 효율적으로 흡수될 수 있도록 하여, 그 물질이 광전류(photocurrent)라고 불리는 전류를 생산하는 전하 캐리어로 변환되도록 한다.
"우리의 특허를 이끈 프로세스는 1990년대 후반에 시작되었는데, 그 당시 우리는 은, 금 그리고 구리와 같은 우수한 금속의 광학적 특성에 대한 상세한 연구를 시작했었다. 우리가 개발한 발명품은 은과 금 같은 금속 레이어를 수백 나노미터에 불과한 두께를 가지도록 다양한 반도체 사이에 삽입한다"고 스칼로라(Scalora) 박사는 말했다. 종이 한 장은 약 100,000나노미터 두께 정도임을 고려하기 바란다.
"이번 발명은 군사 및 민간영역으로 이전을 담당하는 우리의 프로그램 중 중요한 본보기이다. 1990년대에 기반 연구가 시작되었지만, 20년 이후에야 적용분야가 확인된 것"이라고 스칼로라(Scalora) 박사의 지도교수이자 무기개발 및 통합 이사회(Weapons Development and Integration Directorate) 광학분야 책임자인 웨인 데이븐포트(Wayne Davenport)씨는 말했다.
차세대 태양전지는 두께의 감소뿐 아니라 비용과 물질 그리고 유연성 문제를 해결하기 시작했다. 새롭게 디자인된 멀티레이어 스택은 태양전지의 크기를 엄청나게 감소시켰는데, 모래 한 알의 크기인 이전의 약 100~200미크론보다 약 1,000배 정도 얇은 두께를 가진다.
발명자들은 열로 말미암아 구조체에 가해지는 스트레스, 손상 그리고 마모와 같은 현재의 태양전지가 가진 문제를 극복하는 전지를 디자인했다. 태양전지 패널의 손상과 열은 태양으로부터 오는 높은 순도의 자외선과 적외선의 흡수 때문이다.
자외선과 적외선은 전기 광전류를 생산하는 적절한 밴드갭을 가지는 물질에 의해 흡수되거나 구조체에 손상을 주지 않는 태양전지 패널에 의해 반사될 수 있다.
태양전지가 가진 본질적인 형태 때문에, 태양광선의 흡수율은 태양과 태양전지의 멀티레이어 스택 간의 각도에 의해서는 영향을 받지 않는다. 그리하여, 이 새로운 태양전지의 효율성 개선을 위해 태양 추적시스템은 필요하지 않다. 투명도의 감소는 태양전지 레이어가 거의 완벽하게 입사되는 태양광선을 흡수하도록 한다.
태양열 복사가 가진 가장 중요한 문제는 태양광선에서 이용가능한 광파장과 반도체 에너지 밴드갭과 관련된 좁은 파장 사이의 미스매치 문제이다. 만약 빛이 태양전지에 들어가게 되면, 이 미스매치는 전력의 손실을 일으키게 된다. 이번 발명에서 개발된 포토닉 밴드갭 접근법을 이용하여, 태양전지는 현재보다 더욱 효율적으로 작동할 수 있을 것이다.
포토닉 밴드갭 태양전지의 발명자들은 에너지 흡수, 반사 그리고 변환 스펙트럼의 직접적인 제어가 가능하도록 형태적 파라미터와 우수한 금속의 광 특성을 이용하여 태양전지의 멀티레이어 스택을 변경시켰다.
"많은 기본적인 연구 프로젝트와 함께 진행된다면, 단기간의 혜택으로는 정확하게 확정되지는 않았지만, 분명히 투자할 가치가 있다. 미국 육군 항공 및 미사일 연구개발공학센터(AMRDEC) 연구 실험실은 고품질의 연구 프로젝트를 계속 진행할 것이며, 나는 미래에는 군 관계자에게 적용가능한 이러한 종류의 프로젝트들이 많이 일어나기를 바란다"고 데이븐포트(Davenport)씨는 말했다.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 7월 13일]
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US Army has breakthrough in solar cell research
U.S. Army researchers have developed a tiny photovoltaic solar cell for the conversion of light energy into electrical energy that has resulted in a patent. The patent reveals a new kind of photovoltaic solar cell with significantly reduced size and cost compared with current solar cells.
Dr. Michael Scalora, a research physicist at the U.S. Army Aviation and Missile Research, Development and Engineering Center, or AMRDEC, at Redstone Arsenal, Alabama, described the invention as a "breakthrough," which he hopes will be the basis for further technological progress. Scalora is a co-inventor of the solar cell.
"Low-cost, compact, flexible and efficient solar cells are destined to impact all sorts of Department of Defense applications, as lightweight solar panels will eventually power all kinds of equipment, particularly in remote, inaccessible areas," he said. "The key to the development of efficient, compact solar cells are advances in nanotechnology, nano-fabrication techniques and thin-film production. Current solar cells based on single crystal (pure) silicon have advanced significantly over the years."
A photovoltaic, or PV, solar cell is a specialized semiconductor diode that converts visible light into a direct current. The PV cell allows solar light to be absorbed efficiently by a material and then converted into charge carriers that generate an electrical current, known as a photocurrent.
"The process that led to our patent was inaugurated in the late 1990s, when we began a detailed study of the optical properties of noble metals like silver, gold and copper," Scalora said. "Our invention inserts layers of metals like silver and gold between the various semiconductor layers resulting in a combined thickness of only a few hundred nanometers." A piece of paper is about 100,000 nanometers thick.
"This is a great example of one of our programs that transitioned to the military and private sector," said Wayne Davenport, optical sciences function chief of the Weapons Development and Integration Directorate and Scalora's supervisor. "Though the foundational effort began in the 1990s, it has found applications over 20 years later."
The next generation of solar cells has begun to address costs, materials and flexibility problems, in addition to reducing the thickness of the PV cell. The newly-designed, multilayer stack has dramatically reduced the size of a PV cell, about 1,000 times thinner than that of the previous 100 to 200 microns, which was about the size of a grain of sand.
The inventors designed the cell to overcome current solar panel problems such as wear out, damage and stress introduced to the structure by heating. Damage and heating in a solar panel is produced by absorption of the high content of ultraviolet and infrared radiation from the sun.
UV and IR radiation can either be reflected by the solar panel cells to avoid damage to the structure or absorbed in materials having the appropriate bandgaps to generate an electrical photocurrent.
As a result of the cell's inherent geometry, the absorption rate of sunlight is not affected by the angle between the sun and the cell's multilayer stack. Thus, solar tracking systems are not required to improve the efficiency of this new PV cell. The reduced transparency allows the layers of the PV cell to almost completely absorb incoming sunlight.
A critical problem with radiation is the mismatch between the broad wavelength band available in sunlight and the narrow wavelength band associated with semiconductor energy bandgap. If light was allowed to enter the cell, this mismatch would cause a loss of power. By using the photonic bandgap approach developed in this invention, solar cells will operate more efficiently than presently possible.
The inventors of photonic bandgap solar cells altered the multilayer stack of the solar cell using geometrical parameters and optical properties of noble metals allowing direct control of energy absorption, reflection and transmission spectra.
"As with many basic research projects, the near-term benefits are sometimes yet undefined but are clearly worth the investment," Davenport said. "The Army's research laboratories at AMRDEC continue a legacy of high quality research projects and I expect to see many more of these type projects transition to the Warfighter in the future."
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