▒ 가시광선, 적외선, 자외선으로부터 전기를 발생시키는 새로운 형태의 광기전력셀

가시광선, 적외선, 자외선의 빛으로부터 전기를 발생시키는 새로운 형태의 광기전력셀(photovoltaic cell, PV cell)의 프로토타입이 일본의 연구진들에 의해 개발되었다. 이번 성과를 통해 다중접합셀을 필요로 하지 않는 고효율의 광기전력셀 개발이 가능하게 되었다.

태장전지가 여러 파장대의 빛을 탐지하기 위해서는 다양한 밴드 갭을 가진 반도체가 필요하다. 따라서 넓은 영역의 밴드 갭을 가진 반도체를 만듦으로 여러 파장대의 빛을 이용할 수 있다. 현재까지 만들어지거나 자연적으로 생긴 반도체는 단지 특정한 밴드 갭을 가지는 단점을 가지고 있다. 밴드 갭의 영역을 확장시키기 위한 일반적인 방법은 두 개 또는 그 이상의 반도체를 합금화시키는 것이다. 합금을 이루는 반도체의 상대적인 조성을 조절하여 두 반도체 사이에서 새로운 밴드 갭을 만드는 것이 가능하다. 그러나 이렇게 만들기 위해서는 격자구조의 일치 등 여러 해결해야 할 어려움이 있다. 이번 연구는 기존의 일반적인 다중접합셀 방식이 아니라 단일 셀 방식을 통해 다중접합셀이 가지는 여러 파장대의 넓은 영역의 빛을 흡수할 수 있는 최초의 결과라는 것에 그 의의가 크다.

새로운 방식의 광기전력셀에 대한 연구 발표는 3월 19일 제57차 Applied Physics 일본학회에서 90분 시간 동안 비중 있는 강의로 진행되었다.

이번 연구는 교토공과대학교(Kyoto Institute of Technology)의 Saki Sonoda 교수와 그의 연구팀에 의해 이루어졌다. 이번 프로토타입 광기전력셀은 다소 에너지 변환효율은 낮은 편이지만 높은 개방전압(open voltage, Voc)을 가진다. Sonoda 교수는 추가적인 연구를 통해 변환율을 높일 수 있기를 바란다고 말했다. 광기전력 재료는 원자단위에서 빛을 흡수하여 전자를 방출하면서 전류를 생성시키는 방식으로 빛을 전기로 변화시킨다.

연구팀은 투명한 반도체 물질인 질화갈륨(gallium nitride, GaN)에다 망간(Mn)이나 코발트(Co)같은 원소를 추가하여 10 mm2 크기의 PV셀을 만들었다. 원소가 추가되었을 때 한층 더 높아진 GaN의 흡수율은 적외선을 포함하여 가시광선이나 자외선 같은 훨씬 더 넓은 빛의 스펙트럼을 흡수할 수 있게 하였다. Mn이나 Co가 더해진 P형의 GaN으로 이루어진 셀은 투명하거나 검은색을 띄게 되는 반면에 첨가물을 넣지 않은 GaN은 그와 다른 양상을 보였다.

Mn이나 Co는 3d 전이금속들이다. 이들은 핵에 있는 양성자의 수가 증가함에 따라 3d 궤도에 있는 전자들의 수가 증가하는 원자들이다. 잘 알려진 바와 같이 3d 전이금속은 티타늄(Ti), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 아연(Zn) 등이 있다.

연구진은 GaN에 여러 개의 3d 전이금속을 추가하는 실험을 계속하였으며 Mn이나 Co같은 전이 금속에서 좋은 결과를 얻게 되었다. 추가 연구에서 GaN 광기전력셀에다 인듐(In)을 추가하려고 여러 실험을 진행하고 있으며 이를 통해 가지광선의 더 넓은 파장영역을 흡수 가능토록 밴드갭을 조절하고자 한다.


교토공과대학교(Kyoto Institute of Technology)가 만든 프로토타입 PV 셀.

P형의 GaN 박막에 코발트를 추가하고 N형 재료를 접합시켰다(오른쪽). 코발트가 없는 P형의 GaN 박막(왼쪽)

전지의 크기는 10 x 10mm이며 둘레를 이루는 사각형 패턴은 전극이다.

URL: http://www.physorg.com/news188637189.html

<출처> NDSL, 2010-03-24

Posted by TopARA

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  1. 박소현 2010.04.23 23:08  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    좋은 글이라 담아갑니다 *^^*