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태양광 하베스팅 애플리케이션에 2D 재료 활용의 이점

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글/리암 크리츨리(Liam Critchley)

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

전 세계가 화석연료 사용을 점진적으로 줄이는 대신 친환경 신재생 에너지원의 활용을 확대하는 방향으로 나아가면서, 기존의 재생 가능 기술은 보다 개선하고 재생 가능 에너지원을 새로운 방식으로 활용할 수 있는 장치를 만들기 위한 노력들이 한창이다. 햇빛은 오늘날 가장 많이 사용되는 재생 가능 에너지원(태양전지 형태) 중 하나지만, 햇빛을 이용한 에너지 생산 방법은 이 외에도 많다.

매일 지구상에 도달하는 햇빛의 양을 고려하면, 태양광 기반의 에너지 하베스팅 장치는 신재생 에너지 기술을 선도하던 기존의 입지를 더욱 공고히 하며 보다 깨끗하고 친환경적인 사회를 이끌어갈 수 있는 훌륭한 잠재력을 갖추었다. 설계 엔지니어들은 태양전지에 그래핀을 광범위하게 사용하는 것에서부터 광촉매 및 광열 하베스팅 방식에 서로 다른 2D 재료들을 사용하는 것까지, 수많은 태양광 하베스팅 시스템에 2D 재료들을 테스트 및 사용 중이다.  

광전지(태양전지)

태양전지는 오늘날의 모든 태양광 하베스팅 방법 및 기술 중에서 단연코 가장 상업화되고 대중적이며 효율적인 옵션이다. 벌크형 태양전지 중에는 실리콘과 페로브스카이트(perovskite) 재료로 구성된 제품들이 많이 나와 있다. 또한, 벌크형 실리콘 태양전지의 성능을 향상시키거나, 훨씬 더 얇은 플렉서블 태양전지를 만들기 위해 2D 재료나 기타 나노 재료를 활용하는 방식이 다양하게 개발되고 있다. 후자의 경우, 이미 다수의 플렉서블 유기 태양전지가 출시되어 있지만, 활성 물질은 무기 물질에 비해 성능이 훨씬 떨어지는 경향이 있기에 2D 재료는 그보다 성능이 월등한 박막 태양전지를 개발하기 위한 발판을 제공한다.

장치들 중에는 도핑된 그래핀이 태양전지 내의 반도체 PV 접합에서 광활성 물질로 사용되는 제품들이 다수 있는데, 이 중에는 단독으로 사용되는 제품도 있고 더 큰 태양전지에서 실리콘과 함께 사용되는 제품도 있다. 특히, 그래핀과 그 유도체들은 대형 태양전지에서 금이나 은 같은 고가의 귀금속이 사용되는 정공 수송층(hole transport layer)을 대신할 재료로 널리 알려져 있다. 또한 그래핀은 실리콘과 함께 더 얇고 유연하면서도 반투명한 태양전지와 같이 다양한 하이브리드 장치를 제조할 때 사용된다.

현재로서는 그래핀이 가장 주목받는 물질이지만, 이와 별개로 다른 태양전지에 통합되는 재료인 금속 디칼코게나이드(TMDC)는 안정적인 특성과 잠재적인 자극 저하에 대한 저항성을 통해 장기적인 안정성을 향상시키고 최적으로 더 오래 작동할 수 있게 만드는 효과가 있어 관심을 끈다. 이러한 2D 재료들은 실리콘 및 페로브스카이트 태양전지뿐 아니라 탠덤 태양전지에 이르기까지 상업적 수준에서 광범위한 벌크형 태양전지에 통합되고 있다.

최근 몇 년 동안 플렉서블 태양전지에 대한 관심이 크게 높아졌고, 그래핀은 최초의 태양전지 테스팅을 위한 2D 재료로 활용된 이후로 그 활용 범위가 확대되었으며, 앞으로도 그 추세는 지속될 전망이다. 최근에는 효율적이고 유연한 태양전지 제작에 TMDC가 그래핀과 함께 사용되어 왔다. 이제는 페로브스카이트 재료가 덩치 큰 페로브스카이트 태양전지의 성공에 이어, 그보다 훨씬 더 작고 유연한 태양전지 형태 제작을 위해 2D 시트로 만들어지고 있다. 아직 2D 페로브스카이트 태양전지는 원하는 수준에 도달하지는 못했지만, 2D 재료 제품군에 합류한지 얼마되지 않았다는 점을 감안하면 앞으로 태양전지 분야에서 발전할 여지는 매우 커 보인다.

광촉매 하베스팅

광촉매 반응은 새로운 친환경 연료를 생성하며, 직접적 생산물이 전기인 다른 많은 에너지 하베스팅 기술과는 다르다. 광촉매 하베스팅에서 햇빛 에너지는 연료를 생산하기 위해 수확되는데, 이는 전원 장치나 전자 시스템에 전력을 공급하는 데 사용된다. 이 방식은 오늘날 수소 연료 생산에 사용되는 물 분해 기술에 있어 유망한 접근 방식이다.

광촉매 하베스팅은 반도체 재료가 사용될 때 발생한다. 광촉매 하베스팅은 고에너지의 태양광 광자가 흡수되면 반도체 재료에서 전자와 정공 쌍이 생성되면서 일어나는 것이다. 하지만 이 같은 광 여기 상태는 불안정한 경향이 있기 때문에 전하 캐리어들이 재결합하게 된다. 이 분리 및 재결합 과정에서 전자와 정공은 물질 표면을 가로질러 이동하며 흡수된 원자를 감소시키거나 산화시킨다. 바로 이 같은 프로세스를 통해 수소 기체가 생성되며, 산소 분자를 생성하는 데 사용될 수 있는 유사한 광촉매 프로세스도 이따금씩 동시에 일어나곤 한다.

광촉매 반응은 다양한 재료를 사용해 일어날 수 있으며, 이 같은 광촉매 하베스팅 반응에는 다양한 반도체 2D 재료가 사용된다. 광촉매 반응은 대개 2D 시트의 노출된 가장자리쪽에서 가장 활발하게 나타난다. 이황화 몰리브덴(Molybdenum Disulfide) 같은 TMDC는 시트가 수소 이온을 활발하게 흡수하는 특성 때문에 많은 주목을 받게 되었다. 그래핀과 그 유도체들, 특히 반도체 생성을 위해 도핑된 유도체들은 수소연료를 생산할 때 흡수 및 전기 전도성 특성이 그래핀, TMDC의 높은 표면적과 합쳐져 수소 발생 반응(Hydrogen Evolution Reactions, HER)에 적합한 촉매 부위를 이루게 되기 때문에 검증된 물질이라 할 수 있다.

광열 하베스팅

광열 하베스팅은 기존의 수많은 태양광 하베스팅 기술과는 다른 접근 방식을 제공한다. 이 같은 방식의 경우, 광열 재료들은 빛 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환한다. 2D 재료들은 광파를 흡수하고 열로 변환하는 데 활용되는 다양한 광학 특성을 지닌다. 2D 재료 중 일부는 다른 재료 등급에서 볼 수 없는 독특한 광학 특성을 나타내지만, 다른 재료들은 보편적으로 매우 유익한 특성을 나타낸다.

2D 재료는 가시광선 및 근적외선 영역을 포함하여 넓은 스펙트럼에 걸쳐 전자기 복사의 파장을 흡수하는 것으로 알려져 있다. 그러나 이러한 점은 이 같은 방식이 통상적으로 의료 애플리케이션에 사용되더라도 서로 다른 치료를 수행할 수 있도록 한다는 점에 있어 매우 다르다고 할 수 있다. 빛이 흡수되거나 열이 발생한다는 점은 외과적인(invasive) 방법 외에 다른 치료 방법을 사용할 수 있다는 것을 의미하기 때문이다. 예를 들어, 열은 진동 에너지의 형태로 생성되는데, 이렇게 생성된 에너지는 암세포를 표적으로 삼고 살균하는 데 사용될 수 있다. 이는 본질적으로 보다 적합한 방식의 치료법이다. 그래핀 유도체나 TMDC, MXene 등 서로 다른 2D 재료들은 비록 장치에 전원을 공급하지는 않더라도 새롭고 효율적인 치료를 제공하기 위해 빛을 수확한다. 그렇기 때문에 광열 방식은 기존의 태양 에너지 하베스팅 방식과 함께 2D 재료 활용에 있어 유망한 분야로 떠오르는 것이다.

맺음말

태양전지를 활용한 태양광 하베스팅은 이미 안정화된 기술이지만, 2D 재료들은 얇고 유연하면서도 투명한 태양전지를 만드는 새로운 방법뿐 아니라, 태양전지의 효율과 장기적 안정성을 향상시키기 위한 발판을 제공한다. 또한 2D 재료는 태양전지 외에 광촉매 반응에도 사용되어 수소 연료를 생성할 수도 있으며, 수확한 빛 에너지는 항암 치료에도 효과적으로 활용이 가능하다. 우리 사회가 점점 더 자연 환경으로부터 에너지를 수확할 수 있는 다양한 방법을 모색하는 방향으로 나아가고 있는 가운데, 2D 재료들은 태양 광선으로부터 에너지를 보다 효과적으로 수확할 수 있는 방안을 제시해준다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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