나비에서 영감 얻은 나노 구조 태양 전지 - 광 흡수율 최대 200 % 성공

태양광에 의해 반사되는 햇빛은 사용하지 않은 에너지로 손실된다. 꼬마사향제비나비 (Pachliopta aristolochiae)의 날개는 매끄러운 표면보다 훨씬 넓은 스펙트럼에서 빛을 흡수하는 데 도움이 되는 나노 구조 (나노 홀)에 의해 뚫려 있다. 카를스루에공과대학(Karlsruhe Institute of Technology, KIT)의 연구자들은 이 나노 구조를 태양 전지로 옮겨서 광 흡수율을 최대 200 %까지 높이는 데 성공했다. 과학자들은 사이언스 어드밴스 (Science Advances, "Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers")에서 그 결과를 보고했다.

연구팀이 연구한 나비는 매우 검게 빛난다. 이는 최적의 열 관리를 위해 햇빛을 완벽하게 흡수함을 의미합니다. 나비의 외관보다는 더 매혹적인 것은 높은 흡수를 도달하는 것을 돕는 기계 장치이다. KIT의 미세 구조 기술 연구소 (IMT)의 헨드릭 횔셔 박사 (Hendrik Hölscher)는 "이러한 구조물을 태양 광 (PV) 시스템으로 옮길 때 최적화 가능성은 예상보다 훨씬 높았다”고 밝혔다.

연구팀은 박막 태양 전지의 실리콘 흡수층에서 나비의 나노 구조를 재현했다. 후속 광 흡수 분석에서 놀라운 결과가 나타났다. 매끄러운 표면에 비해 수직 입사광의 흡수율은 97 % 증가하고 50 도의 입사각에서 207 %에 도달할 때까지 계속 증가했다.

이것은 유럽에서 특히 흥미롭다. 이는 종종 태양 전지에 대해 수직 각으로 거의 분산되지 않는 확산 광을 갖고 있기 때문이다.

그러나 이것은 IMT의 기욤 고마드 (Guillaume Gomard)에 따르면 동일한 요소로 전체 PV 시스템의 효율성이 향상된다는 것을 자동으로 암시하지는 않는다고 말했다. 또한 그는 다른 구성 요소가 역할을 하며, 200 %는 효율 향상을 위한 이론적 한계로 간주되어야 한다고 말했다.

나노 구조를 태양 전지로 옮기기 전에 연구자들은 나비 전자 현미경을 이용하여 나비의 날개에 나노 홀의 직경과 배열을 결정했다. 그런 다음 컴퓨터 시뮬레이션에서 다양한 홀 패턴에 대한 광 흡수율을 분석했다. 그들은 검은색 나비에서 발견되는 것과 같은 다양한 직경의 불규칙한 구멍이 주기적으로 정렬된 나노 크기의 나노 홀과 관련하여 다양한 입사각에서 전체 스펙트럼에 대해 가장 안정한 흡수율을 나타냄을 발견했다. 따라서 연구원들은 직경 133 ~ 343 나노 미터의 박막 PV 흡수체에 무질서하게 위치된 구멍을 도입했다.

과학자들은 물질을 제거함으로써 빛의 수율이 상당히 향상될 수 있음을 보여주었다. 이 프로젝트에서는 수소화된 비정질 실리콘으로 연구했다. 그러나 연구원에 따르면, 박막 태양 광 기술의 모든 유형은 산업 규모에서 나노 구조로 개선될 수 있다.

박막 PV 모듈은 광 흡수층이 최대 1000 배 더 얇아서 재료 소비가 감소하므로 기존 결정 실리콘 태양 전지에 비해 경제적으로 매력적인 대안이다. 여전히 얇은 층의 흡수율은 결정질 실리콘 셀의 흡수율보다 낮다. 따라서 휴대용 계산기나 시계와 같이 전력이 거의 필요하지 않은 시스템에 사용된다. 흡수가 좋아지면 얇은 필름 셀이 지붕 위의 광전지 시스템과 같은 대형 어플리케이션에 훨씬 더 매력적이다.

출처:한국과학기술정보센터, nanowerk