태양광의 완벽한 흡수

태양광의 완벽한 흡수

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-11-04

어떻게 보던지 간에 전력 공급을 위해 태양광에서 에너지를 뽑아내는 개념은 그 어떤 것보다 매력적이다. 최근 렌슬러 폴리테크 연구소(Rensselaer Polytechnic Institute)의 과학자들은 태양 에너지가 직면한 두 가지 주된 문제를 극복할 수 있는 새로운 방법을 개발하였다. 그들은 태양광 패널에 의해 포획되는 태양광의 양을 증가시켜 어떤 각도에서도 태양광의 모든 스펙트럼을 흡수할 수 있는 반반사 코팅을 개발함으로써, 효율적이며 저렴한 태양 전력을 실현하는데 근접할 수 있게 되었다. 태양 에너지를 전기로 변환할 때 최대의 효율을 얻기 위해선 태양이 하늘의 어느 곳에 위치하는지에 무관하게 빛의 거의 모든 광자를 흡수하는 패널이 필요한데, 이를 위한 해결책은 바로 반반사 코팅(antireflective coating)이라고 렌슬러의 숀-유 린(Shawn-Yu Lin) 교수는 말했다. 공정 처리되지 않은 실리콘 태양 전지는 태양광의 67.4%만을 흡수하는데, 이는 태양광의 1/3이 반사되어 에너지로 변환되지 못한다는 것을 의미한다. 따라서, 경제 및 효율성의 관점에서 이와 같이 이용되지 못한 빛은 자원의 낭비이며, 태양 에너지 이용의 확대를 가로막고 있는 주된 문제 중 하나이다. 하지만, 린 연구진이 개발한 반사 코팅으로 실리콘 표면을 처리하면 태양광의 96.21%가 흡수된다. 이와 같은 큰 증가는 자외선, 가시광선 및 적외선에 이르는 태양광의 모든 스펙트럼을 흡수하기 때문에 경제적인 관점에서 태양 광의 이용은 진일보하는 계기를 맞게 될 것이다. 또한 린 연구진이 개발한 코팅은 어떤 각도에서라도 태양광을 흡수할 수 있다. 대부분의 표면과 코팅은 빛을 흡수하는 반반사로 디자인되어 특정 각도에서 빛이 투과되어 통과된다. 예를 들어 안경 렌즈는 정면에서 빛이 들어올 경우 일정량의 빛을 흡수하여 투과시키지만, 빛이 약간 빗겨서 들어올 경우 소량의 빛이 흡수되어 투과된다. 이러한 현상은 기존의 태양 전지 패널에도 동일하게 적용되는데, 이러한 이유로 인해 몇몇 상용의 태양 전지는 태양의 움직임을 따라 천천히 움직이도록 디자인된 것도 있다. 이와 같은 자동 움직임이 없는 패널은 최적화된 위치를 갖지 못하기 때문에 태양광의 흡수 효율이 상당히 떨어지게 된다. 하지만, 효율의 증가를 위해 자동화 시스템을 갖춘 것은 구동에 필요한 에너지가 소요되며, 유지 비용이 또한 추가로 요구된다. 한편 린 연구진인 개발한 반반사 코팅은 모든 각도에서 태양광을 흡수하기 때문에 위와 같은 자동 태양 전지 시스템은 필요없다. 개발된 시스템은 태양이 어느 위치에 있다 하더라도 코팅 처리된 태양 패널이 96.21%의 태양광을 흡수하게 된다. 이와 같이 우수한 흡수 효율뿐 아니라 개발된 코팅은 차세대의 저렴한 태양 전지 판넬의 제조도 가능케 할 것이다. 금번 프로젝트의 초기에는 모든 각도에서 작동하는 반반사 구조의 제작이 가능할지는 의심스러웠었다. 하지만, 연구진은 근본적 관점에서 문제를 해결하고, 이론을 정립함으로써 새로운 장치를 개발해낼 수 있었다. 전형적인 반반사 코팅은 특정 파장의 광을 투과하도록 디자인되었다. 코팅은 여러 층이 적층되어 있는 형태인데 각각의 층은 하부 층의 반반사 성질을 향상시킨다. 이러한 추가 층은 또한 코팅의 반반사 성질을 증가시킬 수 있는 각도로 태양광을 구부러지게 한다. 이는 각각의 층이 태양광을 투과할 뿐 아니라 하부 층에서 반사되지 않도록 태양광을 붙잡는데도 도움된다. 50-100 nm의 높이를 갖는 층상 구조는 비스듬한 각도로 위치한 이산화 실리콘 및 이산화 티타늄 나노막대로 구성되며, 나노막대는 화학 증착법을 통해 실리콘 매질에 부착된다. 이를 통해 제조된 코팅은 III-V 다접합(III-V multi-junction) 및 카드뮴 텔루리드(cadmium telluride)와 같은 광전압 물질(photovoltaic materials)에도 사용될 수 있다. [그림] 최근 렌슬러 폴리테크 연구소에서 개발된 새로운 반반사 코팅을 이용하면 태양광 사용의 확대를 저해하는 두 가지 장벽을 극복하는데 도움될 수 있음. 금번에 제작된 코팅은 태양 패널에 의해 포획된 태양광의 양을 증가시켰으며, 어느 각도에서도 태양광의 모든 스펙트럼을 흡수할 수 있음.