태양광 발전 강화: 듀크 연구진은 패널을 개선하는 방법을 모색하고 있습니다.

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태양 에너지가 더 널리 사용되지 않는 이유는 무엇입니까? 결국, 광전지는 자유롭고 본질적으로 무한한 자원인 햇빛으로부터 전기를 생성합니다.

한 가지 이유는 오늘날의 광전지가 상대적으로 비효율적이라는 것입니다. 그들은 태양으로부터 흡수한 에너지의 약 4분의 1만을 방출합니다. 효율성이 향상될 수 있다면 태양광 패널은 더 많은 전력을 공급하면서도 더 적은 공간을 차지할 수 있습니다.

"결국 태양에너지의 과제는 효율성입니다."라고 말합니다. 애드리안 스티프-로버츠(Adrienne Stiff-Roberts) 박사, Jeffrey N. Vinik 전기 및 컴퓨터 공학 교수입니다. "태양 전지가 더 효율적이라면 기술 비용은 [생산된 전기 단위당] 더 저렴하며, 탄소 기반 에너지원을 대체하는 재생 에너지에 대해 이야기하고 있습니다."

Duke에서 Stiff-Roberts와 그녀의 동료들은 언젠가 햇빛으로부터 더 많은 에너지를 포착할 수 있는 새로운 광전지 기술을 연구하고 있습니다.

태양전지의 효율을 높이는 한 가지 방법은 화학적 구성을 바꾸는 것입니다. 현재의 태양전지는 오래 지속되고 전하 운반에 탁월하며 빛 에너지 흡수에 만족스러운 무기 원소인 실리콘을 사용합니다. 반면에 특정 유기 분자는 빛 에너지를 잘 흡수하지만 습기와 산소가 있으면 빠르게 분해될 수 있습니다.

유기 분자의 이점은 빛을 흡수하는 특성 그 이상입니다. Stiff-Roberts는 "유기화학자는 모든 종류의 기능을 갖는 유기 분자를 설계할 수 있습니다."라고 말했습니다. "그들은 유연할 수 있습니다."

무기 및 유기 화합물을 하나의 태양 전지로 결합하면 "두 세계의 최고"를 제공할 수 있다고 Stiff-Roberts는 말합니다. 그러나 이러한 종류의 하이브리드 재료를 사용하여 작업하는 것은 쉽지 않습니다.

우선, 하이브리드 물질은 반도체 역할을 하는 나노미터 두께의 필름으로 증착되어야 합니다. 박막 반도체는 휴대폰, 컴퓨터, TV 등 우리가 매일 사용하는 장치에 이미 널리 퍼져 있습니다. 그러나 종종 이러한 반도체는 무기 광물로 만들어집니다. 얇은 필름으로 증착하는 기술은 유기 화합물에는 적용되지 않습니다.

유기 분자를 박막에 증착하는 방법이 있지만 작은 유기 분자에만 적용되거나 태양전지에 필요한 여러 층을 증착하는 데 어려움이 있습니다.

이제 Stiff-Roberts와 그녀의 팀은 무기 및 대형 유기 화합물로 만들어진 하이브리드 재료를 증착하는 기술을 개발하고 시연했습니다. “저희 그룹은 다른 사람들이 하고 있던 것과 근본적으로 다른 새로운 접근 방식에 기여했습니다.”라고 그녀는 말합니다.

“우리의 증언은 매우 온화합니다. [유기 분자]는 아무런 변화 없이 소스에서 기판으로 전달됩니다.”

Stiff-Roberts는 물 속의 기름 방울처럼 유기 분자를 부유시켜 유제(기름과 식초 등)를 만들어 전통적인 공정에 도전했습니다. 이는 증착 중에 큰 분자가 파손되는 것을 방지합니다.

그녀는 최근 하이브리드 재료의 박막 증착을 위한 실험실 기반 기술을 확장하여 상업적으로 제조 가능하게 만드는 타당성을 조사하기 위해 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 BRITE 펠로우로 $100만 상을 받았습니다.

태양광 연구자들이 추구하고 있는 가장 유망한 하이브리드 재료 중 하나는 페로브스카이트입니다. 페로브스카이트는 유기 분자를 결정 구조에 수용하도록 조작된 자연 발생 광물입니다. 유기 분자는 와플의 구멍에 있는 버터처럼 결정 격자에 갇혀 있습니다.

실험적인 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 효율성은 지난 10년 동안 비약적으로 증가하여 기존 및 기타 실험적인 태양광 기술보다 훨씬 더 빠르게 향상되었습니다. 자신의 기술이 박막 하이브리드 페로브스카이트에 적용된다는 것을 이미 입증한 Stiff-Roberts는 "이로 인해 이 분야에 대한 모든 유형의 투자와 연구가 촉발되었습니다."라고 말했습니다.

Stiff-Roberts는 이론가인 Volker Blum(기계공학 및 재료과학 부교수), 재료 디자이너 David Mitzi(듀크대학교 기계공학 및 재료과학 교수 Simon Family 교수) 등 Duke 엔지니어링 동료들과 긴밀히 협력하고 있습니다.

세 곳은 페로브스카이트 및 기타 하이브리드 재료의 기본 특성을 조사하는 국립 재생 에너지 연구소에 본부를 두고 에너지부가 자금을 지원하는 국립 센터의 일부입니다.

Stiff-Roberts는 “이러한 재료에는 우리가 이해하지 못하는 부분이 많습니다. 재료를 이해하지 못하면 개선할 수도 없고 더 나은 장치를 만들기 위해 제어할 수도 없습니다.”라고 Stiff-Roberts는 말합니다.

그러나 더 나은 장치를 만드는 것은 첫 번째 단계일 뿐입니다. Stiff-Roberts는 화석 연료에서 재생 가능 에너지로 전환하려면 과학 및 공학뿐만 아니라 정책에서 경제학에 이르기까지 다양한 분야의 참여가 필요하다고 말합니다. 그녀는 듀크 학부 및 대학원생들이 종종 캠퍼스 전체의 Bass Connections 팀이나 Nicholas Institute for Energy, Environment, Sustainability와 같은 다학문적 환경에서 열정적으로 이러한 문제에 뛰어들고 있음을 발견했습니다.

“재생 에너지 문제를 해결하고 싶다면 모든 것이 연관되어 있습니다.”라고 그녀는 말합니다. Duke는 이러한 모든 광범위한 측면에 대한 전문 지식을 보유하고 있습니다. Duke가 제공할 수 있는 독특한 것이 바로 여기에 있습니다.”

(다) 듀크대학교

원본 기사 출처: WRAL TechWire