| [일본] 산화아연 코팅을 통한 태양전지 효율의 향상
한 변의 길이가 9mm인 사각형의 갈륨 비소(gallium arsenide)로 만들어진 태양전지 중 가장 높은 효율이 Arkansas 대학 연구팀에 의해 달성되었다. 이 태양전지에 얇은 층의 산화아연(zinc oxide)을 코팅함으로써, 14%에 달하는 전환효율(conversion efficiency)을 달성하였다.
9~12개 정도의 적은 태양전지 어레이는, 자그마한 발광 다이오드 및 다른 기기들을 위한 충분한 에너지를 생산할 수 있다. 그러나 표면 처리(surface modification )는 규모 확대가 가능하고 이 전지들은 가정, 위성 혹은 심지어 우주선과 같은 거대한 기기에 동력을 공급하기 위한 대규모 패널로 제작될 수도 있다.
전기공학 교수인 Omar Manasreh가 이끈 연구팀의 연구결과는 Solar Energy Materials and Solar Cells 2014년 4월 호와 Applied Physics Letters에 게재되었다.
실리콘의 대체품으로서의 갈륨 비소는 집적회로(integrated circuits), 발광 다이오드 및 태양전지를 제조하기 위해 사용되는 반도체이다. 박막 필름, 나노구조 및 나노입자의 화학적 합성을 통해 얻어지는 표면 처리는, 햇빛의 반사를 억제함으로써 태양전지가 더 많은 빛을 흡수하도록 해 준다. 그러나 표면 코팅이 없는 상태에서조차도, 호스트 물질을 조작함으로써 9%에 달하는 효율을 달성하기도 하였다.
전기공학과 박사과정 학생인 Yahia Makableh는 이 자그마한 태양전지의 효율을 향상시키고자 하고 있다. 특수한 물질을 사용하면 이론적으로 최대 33%의 효율을 달성할 수 있기 때문에, 연구팀은 이에 관한 연구를 진행하고 있으며 연구에도 진전을 보이고 있다. 아연 산화물의 이점은, 저렴하며 독성이 없고 합성하기 쉽다는 점이라고 강조하고 있다.
Makableh에 따르면, 표면 처리는 또한 인듐-비소 및 갈륨-비소 양자점(quantum dot)으로 제조된 다른 태양전지에도 적용될 수 있다고 한다. 이런 물질로 만들어진 태양전지는 63%에 달하는 전환효율을 달성할 수 있으며, 미래 태양전지 개발을 위한 좋은 아이디어를 제공하게 될 것으로 기대되고 있다.
Makableh는 자신의 광전자 연구실(Optoelectronics Research Lab)의 장비와 기구를 사용하였다. 이 연구실의 연구원들은 태양전지에 사용되는 반도체, 나노구조의 반사방지 코팅, 자가세정 표면 및 금속 나노입자의 성장 및 기능화에 대한 연구를 수행하고 있다. 연구팀의 궁극적인 목표는 뛰어난 태양에너지 전환효율을 자랑하는 태양광 발전기기를 제작하고 실험하는 것이다.
Makableh는 반도체, 초격자(superlattice), 나노구조 및 관련된 기기의 이론적/실험적 광전자적 특성에 중점을 두고 있다.
그림> 9mm의 자그마한 갈륨 비소 태양전지가 어떻게 에너지를 공급할 수 있는지를 시연해 보이는 Yahia Makableh
[출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 4월 25일]
[원문보기]
(Phys.org) —Engineering researchers at the University of Arkansas have achieved the highest efficiency ever in a 9 millimeter-squared solar cell made of gallium arsenide. After coating the cufflink-sized cells with a thin layer of zinc oxide, the research team reached a conversion efficiency of 14 percent.
A small array of these cells – as few as nine to 12 – generate enough energy for small light-emitting diodes and other devices. But surface modification can be scaled up, and the cells can be packaged in large arrays of panels to power large devices such as homes, satellites, or even spacecraft.
The research team, led by Omar Manasreh, professor of electrical engineering, published its findings in Applied Physics Letters and the April 2014 issue of Solar Energy Materials and Solar Cells.
An alternative to silicon, gallium arsenide is a semiconductor used to manufacture integrated circuits, light-emitting diodes and solar cells. The surface modification, achieved through a chemical synthesis of thin films, nanostructures and nanoparticles, suppressed the sun's reflection so the cell could absorb more light. But even without the surface coating, the researchers were able to achieve 9-percent efficiency by manipulating the host material. "We want to increase the efficiency of small cells," said Yahia Makableh, doctoral student in electrical engineering. "With this specific material, the theoretical maximum is 33 percent efficiency, so we have some work to do. But we're making progress. The beauty of zinc oxide is that it's cheap, non-toxic and easy to synthesize." Makableh said the surface modification could also be applied to other solar cells, including those made of indium-arsenide and gallium-arsenide quantum dots. Solar cells made of these materials may be able to achieve 63-percent conversion efficiency, which would make them ideal for future development of solar cells. Makableh used equipment and instrumentation in the College of Engineering's Optoelectronics Research Lab, which is directed by Manasreh. Researchers in the lab grow and functionalize semiconductors, nanostructured anti-reflection coatings, self-cleaning surfaces and metallic nanoparticles to be used in solar cells. Their ultimate goal is to fabricate and test photovoltaic devices with greater solar-energy conversion efficiency.
Manasreh focuses on experimental and theoretical optoelectronic properties of semiconductors, superlattices, nanostructures and related devices
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