저렴한 태양 에너지를 위한 탄소 기반 나노물질

Mike Arnold가 태양 에너지에 관한 구성을 떠올렸을 때, 그는 지구를 지속해서 비추는 수십, 수백, 수억 와트 이상의 큰 그림을 떠올렸다. 그는 또한 10억 분의 1미터 두께의 탄소를 기반으로 한 나노물질이 태양 전지를 이용하면, 전기를 생성하는 비용을 극적으로 줄일 수 있지 않으냐는 생각을 하게 되었다. 메디슨 위스콘신 대학(UW) 재료 과학 및 공학부 조교수인 Arnold는 광발전(photovoltaic, PV) 태양 전지나, 에너지 저장, 그리고 반도체 전자 등과 같은 첨단 전자 물질 연구에 중점을 둔 연구를 하고 있다. PV 에너지의 비용을 낮출 수 있는 물질을 개발하는 것이 연구진의 열정이자, 목표이다. “우리 모두 태양 에너지의 긍정적인 면을 잘 알고 있다. 풍부한 햇빛과 더불어, 오염물을 배출하지 않으면서도, 구동 부품이 필요 없고, 소음이 없으며, 더욱이 쉬운 수송까지 태양 에너지는 많은 장점을 지니고 있다. 그럼에도 불구하고, 사람들은 아마 석탄 발전소는 여전히 있음에도, 왜 태양 전지 패널은 각 가정의 지붕에 설치되어 있지 않은가에 대한 의문을 품을 것이다. 답은 당연히 ‘비용’이다. 비록 태양 에너지의 생산 비용이 지난 몇십 년간 꾸준히 떨어졌지만, 아직도 광전지 에너지가 경제적으로 경쟁 가능한 시점에는 도달하지 못했다”고 Arnold가 설명했다.

광전지 에너지는 광자(또는 태양으로부터 오는 빛의 다발)가 거의 9천3백만 마일의 속도로 지구로 이동하면서, 태양 전지와 부딪힐 때 만들어진다. 태양 전지 내의 반도체 물질이 햇빛을 흡수할 때, 전하가 생성된다. 그리고 태양 전지는 전하를 분리하여, 그것의 포지티브 성분은 태양 전지의 한쪽으로 가고, 그것의 네거티브 성분은 다른 쪽으로 가서, 전류를 생성한다. 이러한 태양 전지는 모듈로 분류되고, 이러한 모듈은 우리가 지붕이나 태양 필드에 흔히 볼 수 있는 패널로 분류되는 것이다. “실리콘 태양 전지의 25% 효율성은 꽤 훌륭한 것이다. 원자재로서의 실리콘 가격과 그것의 공정 비용은 PV의 가격을 쉽게 내리지 못하는 이유이기도 하다. 우리에게 필요한 것은 같은 효율성을 지니면서도, 가격이 훨씬 저렴한 전지를 만드는 것”이라고 Arnold가 말했다.

박막 태양 전지와 같이 일부 “제2세대”를 대체하는 PV 물질은 산업체에 의해 연구되고, 심지어 상용화되었다. 그러나 태양 에너지 가격은 이러한 기술에도 불구하고, 여전히 높다. 대부분 PV 연구에서 집중하는 것은 Arnold의 실험실에서 연구하는 것과 같은 “제3세대” 나노물질이다. “나노, Nano”는 이러한 물질의 매우 작은 크기를 의미하며, 나노미터는 10억 분의 1미터이다. Arnold의 접근 방법은 매우 저렴한 물질로 시작했다. 원칙적으로, 이것은 태양 전지로 만들어질 수 있기 때문에, 연구진은 이들이 작동하는 방법을 고안해야 한다. 현재, Arnold의 연구진은 그래핀과 탄소 나노튜브라고 불리는 탄소 기반의 나노물질에 집중하고 있다. 이러한 나노물질은 화학 증기 증착법(chemical vapor deposition, CVD)이라는 과정을 이용하여, 실험실에서 합성될 수 있으며, 이를 통하여, 탄화수소(메탄(CH4)와 에틸렌(C2H4)같은 가스)은 순수한 탄소로 전환된다.

그래핀 제조에서, 탄화수소는 편평한 기판 상에서 서로 반응하여, 부산물로 수소가스(H2)를 발하고, 기판 위에 그래핀(순수한 C)을 형성한다. 이러한 방식으로, 대형 기판은 지속해서 원자적으로 얇은 그래핀 판으로 코팅된다. 탄소 나노튜브를 생성하기 위하여, 탄화수소 반응은 편평한 기판보다는 실린더를 형성하는 구형의 나노입자 끝에서 일어난다. 결국에는 분자로 전혀 구성되지 않고, 오직 단일 원자 층으로 구축되는 나노물질이 탄생한다. “이들 물질은 당신이 상상할 수 있는 만큼 매우 얇으며, 어떠한 것도 이보다 얇게 만들 수는 없을 것이다. 과학계가 종종 이들 물질을 “2D”라고 일컫는 것을 우리는 쉽게 이해할 수 있다”고 Arnold가 설명했다. “우리가 이 단일 원자층을 그래핀과 탄소 나노튜브에 적용했을 때, 우리는 그것들이 이제껏 발견했던 것보다 훨씬 더 훌륭한 전기 도체 중 일부이며, 그들이 가진 전기적 속성이 훨씬 제어하기 쉽다는 것을 발견했다. 그들은 강력한 빛 흡수체이며, 상대적 안정성과 합성의 용이성, 그리고 저렴하다는 장점을 지니고 있다. 또한, 탄소는 매우 풍부하다”고 그는 말했다.

Arnold의 연구진은 현재 그래핀 판과 탄소 나노튜브 모두를 태양 전지에 사용하는 방안을 연구 중이다. 하나의 프로젝트를 든다면, 연구진은 다양한 지름을 가지고, 다양한 파장의 빛을 흡수하는 탄소 나노튜브를 만들고 있다. 태양 전지에서, 이들의 여러 넓이는 전체적인 빛 흡수를 강화하는 데 도움을 줄 것이다. “우리는 무지개의 모든 색깔뿐 아니라, 우리가 볼 수 없는 스펙트럼의 색들, 그리고 나노튜브의 지름을 다양화시킴으로써, 잠재적으로 좀 더 많은 빛을 활용하고자 한다”고 Arnold가 설명한다. Arnold는 탄소 기반 나노물질의 잠재력을 활용할 방안을 연구하고 있다. 연구진은 태양의 엄청난 힘을 저렴한 비용으로 활용하고, 그것을 태양 에너지로 변환하는 연구에 몰두할 계획이다. “우리는 그들의 속성을 이해하기 위해 노력하고 있으며, 수많은 방법으로, 실제 태양 전지를 활용하고자 한다. 우리는 이러한 연구가 모든 가정의 지붕에 태양 전지 패널을 볼 수 있는 날을 앞당길 수 있으리라 희망한다”고 그는 말했다. 

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 저렴한 태양 에너지를 위한 탄소 기반 나노물질