가까운 미래에, 태양 전지 패널은 좀 더 효율적일 뿐만 아니라, 모든 이들에게 훨씬 더 저렴하고 가능한 대안을 제공할 수 있다고 난양 기술 대학(Nanyang Technological University)의 연구진이 밝혔다. 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트 물질로 만들어진 이 차세대 태양 전지는 간단한 용액 기반의 제조 과정으로 말미암아, 현재의 박막 전지보다 약 다섯 배나 더 저렴하다. 페로브스카이트는 현재의 태양 전지 효율성에 가까운 15%의 태양열을 전기로 전환할 수 있다는 점에서 매우 뛰어난 태양 전지 물질로 알려졌지만, 과학자들은 지금까지 그 이유와 방법을 알 수 없었다.

지난주(10월 18일) 세계에서 가장 권위 있는 학술지인 Science에 발표된 논문에서, NTU 연구진은 이러한 현상을 최초로 설명했다. 조교수인 Sum Tze Chien과 Nripan Mathews 박사가 이끄는 8명의 연구진은 이 대학의 방문 교수인 Michael Gratzel과 긴밀히 협력하였다. 그는 이 논문의 공동 저자이자, 현재 15%의 페로브스카이트 태양 전지 효율성을 보유하고 있다. 스위스 연방 기술 연구소(EPFL)에 있는 Michael Gratzel은 자신의 발명품인 염료 감응형(dye-sensitised) 태양 전지로 다수의 상을 받았다. 태양광을 전기로 변화하는 데 높은 효율성을 가진 페로브스카이트 태양 전지는 이미 시장에 판매되고 있는 박막 태양 전지와 직접적인 경쟁력 구도에 들어섰으며, 이미 그 효율성이 20%에 가깝다.

NTU 에너지 연구 센터(ERI@N)가 개발한 이러한 태양 전지 작업은 현재 호주 청정 기술 회사인 Dyesol(ASX:DYE)과 협력하여 페로브스카이트 태양 전지의 상업용 프로토타입을 개발하고 있다. 태양 전지 물질로서, 왜 페로브스카이트가 유망한지에 관한 발견은 최첨단 도구 사용과 NTU 연구원들과의 긴밀한 협력으로 이루어질 수 있었다고 Sum 조교수는 말했다. “이 연구에서, 우리는 페로브스카이트 물질을 연구하기 위하여 초고속 레이저를 사용한다. 우리는 이러한 물질이 얼마나 빨리 빛에 반응(1000억분의 1초, 대략 카메라 플래시보다 10억 배 더 빠르다.)하는지를 추적했다”고 싱가포르 광물리 전문가이자, NTU 물리 및 재료 과학 연구원이 말했다. “우리는 태양 빛으로부터 전자를 생성하는 이러한 페로브스카이트 물질이 꽤 멀리 이동한다는 것을 발견했다. 이 사실은 우리로 하여금 빛을 좀 더 흡수하여, 좀 더 많은 전기를 생성하게끔 하도록 좀 더 두꺼운 태양 전지를 만들게 하였다”고 말했다.

NTU 물리학자들은 이러한 페로브스카이트의 독특한 속성이 간단한 용액 기반의 도구로 만들어질 수 있다는 점에서 매우 유망하다고 전했다. ERI@N의 수석 과학자인 Nripan Mathews 박사는 기초 연구 투자와 학제간 연구 노력이 어떻게 지식의 발전과 응용과학에서의 혁명을 이끌었는지를 이들 연구가 잘 보여주고 있다고 말했다. “현재 우리는 페로브스카이트 물질이 어떻게 행동하고 작동하는지를 잘 알고 있으며, 이를 이용하여, 이 새로운 태양 전지의 성능을 조정하고, 그 효율성을 향상시킬 수 있을 것이다. 우리는 이것이 현재의 박막 태양 전지가 가진 성능을 앞지를 수 있으리라 희망한다”고 Mathews 박사가 말했다. 그는 싱가포르-버클리 연구 센터 지속 가능한 에너지 프로그램의 R&D 이사이기도 하다. “이러한 물질의 뛰어난 성능은 우리로 하여금 저렴한 공정을 이용하여, 가볍고 저렴하며, 효율적인 태양 전지를 만들 수 있도록 하였다”고 그는 언급했다.

ERI@N의 수석 이사인 Subodh Mhaisalkar 교수는 이러한 흥미로운 물질을 기반으로 한 새로운 프로토타입 태양 전지를 구축하려고 한다고 밝혔다. “페로브스카이트 기반의 태양 전지는 약 20%의 태양 전지 효율성에 이르는 잠재력이 있다. 또한, 이러한 물질의 또 다른 큰 장점은 빨간색이나 노란색, 또는 갈색 등과 같은 다양한 반투명 색상을 잘 받아들이는 그들의 능력에 있다. 그러한 다채로운 태양 유리는 또한 건축 설계에도 새로운 기회를 제공할 수 있다”고 그는 덧붙였다.

                                                   [출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2013. 10. 24]

 

 

 

 

In the near future, solar panels will not only be more efficient but also a lot cheaper and affordable for everyone, thanks to research by Nanyang Technological University (NTU) scientists.

 

This next generation solar cell, made from organic-inorganic hybrid perovskite materials, is about five times cheaper than current thin-film solar cells, due to a simpler solution-based manufacturing process.

Perovskite is known to be a remarkable solar cell material as it can convert up to 15 per cent of sunlight to electricity, close to the efficiency of the current solar cells, but scientists did not know why or how, until now.

 

In a paper published last Friday (18 Oct) in the world's most prestigious academic journal, Science, NTU's interdisciplinary research team was the first in the world to explain this phenomenon.

 

The team of eight researchers led by Assistant Professor Sum Tze Chien and Dr Nripan Mathews had worked closely with NTU Visiting Professor Michael Gratzel, who currently holds the record for perovskite solar cell efficiency of 15 per cent, and is a co-author of the paper. Prof Gratzel, who is based at the Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne (EPFL), has won multiple awards for his invention of dye-sensitised solar cells.

 

The high sunlight-to-electricity efficiency of perovskite solar cells places it in direct competition with thin film solar cells which are already in the market and have efficiencies close to 20 per cent.

 

The new knowledge on how these solar cells work is now being applied by the Energy Research Institute @ NTU (ERI@N), which is developing a commercial prototype of the perovskite solar cell in collaboration with Australian clean-tech firm Dyesol Limited (ASX: DYE).

 

Asst Prof Sum said the discovery of why perovskite worked so well as a solar cell material was made possible only through the use of cutting-edge equipment and in close collaboration with NTU engineers.

 

"In our work, we utilise ultrafast lasers to study the perovskite materials. We tracked how fast these materials react to light in quadrillionths of a second (roughly 100 billion times faster than a camera flash)," said the Singaporean photophysics expert from NTU's School of Physical and Mathematical Sciences.

 

"We discovered that in these perovskite materials, the electrons generated in the material by sunlight can travel quite far. This will allow us to make thicker solar cells which absorb more light and in turn generate more electricity."

 

The NTU physicist added that this unique characteristic of perovskite is quite remarkable since it is made from a simple solution method that normally produces low quality materials.

 

His collaborator, Dr Nripan Mathews, a senior scientist at ERI@N, said that their discovery is a great example of how investment in fundamental research and an interdisciplinary effort, can lead to advances in knowledge and breakthroughs in applied science.

 

"Now that we know exactly how perovskite materials behave and work, we will be able to tweak the performance of the new solar cells and improve its efficiency, hopefully reaching or even exceeding the performance of today's thin-film solar cells," said Dr Mathews, who is also the Singapore R&D Director of the Singapore-Berkeley Research Initiative for Sustainable Energy (SinBeRISE) NRF CREATE programme.

 

"The excellent properties of these materials, allow us to make light weight, flexible solar cells on plastic using cheap processes without sacrificing the good sunlight conversion efficiency."

 

Professor Subodh Mhaisalkar, the Executive Director of ERI@N said they are now looking into building prototype solar cell modules based on this exciting class of materials.

 

"Perovskite-based solar cells have the potential to reach 20 per cent solar cell efficiencies and another great benefit of these materials is their amenability to yield different translucent colours, such as red, yellow or brown. Having such colourful solar glass will create new opportunities for architectural design," he added.