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- 유기 물질의 고유한 밴드 구조 때문에 유기태양전지는 원하는 파장의 빛을 선택적으로 흡수
- 박막 태양 전지가 비가시광 부품에서 주로 에너지를 얻고, 대부분의 가시광선은 통과시켜
- 주석 산화물과 반도체층 사이에 L-글루타티온의 얇은 분리 층을 삽입
- 농업 태양광 발전의 기회

온실용 반투명 태양전지
반투명 유기태양전지의 내구성을 높이는 항산화층

반투명 전기 공급자:
유기 태양 전지는 반투명하게 만들 수 있으며 예를 들어 유리 대신 창이나 유리 지붕에 설치할 수 있다. 지금까지 이러한 박막 모듈은 특히 안정적이지 않았다. 광화학 반응으로 인해 빠르게 분해된다. 이것은 이제 이러한 반응을 방지하는 보호 분리 층으로 해결할 수 있다. 반투명 태양전지를 온실 지붕으로 활용하면 일반 유리 지붕보다 작물이 더 잘 자랐다. 

▲ 반투명 유기 태양 전지는 온실을 태양열 발전소로 바꾸는 동시에 식물 성장을 촉진할 수 있다. © Yang Yang Laboratory/ UCLA

지금까지 가장 일반적인 태양광 모듈은 실리콘 기반 태양광 전지로 구성되었다. 이들은 안정적이고 상대적으로 효율적이지만 단단하고 대체로 불투명하며 두껍다. 이것은 유기 태양 전지와 다르다. 이러한 유연한 폴리머 기반 모듈의 경우 반도체 화합물이 플라스틱 캐리어 필름에 얇은 층으로 인쇄된다. 결과 셀은 가볍고 유연하며 섬유에도 적용할 수 있다.

반투명하면서도 전기를 생성한다.

또 다른 이점은 "유기 물질의 고유한 밴드 구조 때문에 유기 태양 전지는 원하는 파장의 빛을 선택적으로 흡수할 수 있다"고 캘리포니아 로스앤젤레스 대학의 예핀 즈하오(Yepin Zhao)와 그의 동료는 설명했다. 예를 들어, 재료는 박막 태양 전지가 비가시광 부품에서 주로 에너지를 얻지만, 대부분의 가시광선은 통과시키는 방식으로 선택될 수 있다. 이렇게 하면 태양 전지가 반투명하게 된다.

"이 선택적 흡수 때문에 유기 태양 전지는 특히 농업용 광전지에 적합할 것"이라고 연구원들은 말했다. 이 모듈을 온실의 유리 지붕에 통합하거나 빛이 부족한 아래 식물 없이 들판 위에 부착할 수 있기 때문이다. 그러나 문제는 유기 태양 전지가 지금까지 햇빛에서 상대적으로 빠르게 분해되었다는 것이다. 조사(照射)는 전자 공여 주석 산화물층에서 공격적인 라디칼을 생성해 광활성 반도체층으로 이동하여 점차적으로 파괴한다. 결과적으로 성능이 저하된다.

라디칼 스캐빈저로 분해 문제 해결

Zhao와 그의 동료들은 이제 이 내구성 문제에 대한 해결책을 찾았다. 이를 위해 그들은 주석 산화물과 반도체층 사이에 L-글루타티온의 얇은 분리 층을 삽입했다. L-글루타티온은 인체에서도 발견되는 3개 아미노산 항산화제다. 전자를 반응성 산소 화합물로 전달해 무해하게 만드는 능력이 있다.

유기 태양 전지에서 L-글루타티온은 공격적인 라디칼을 차단해 이동을 방지한다. 그러나 이것은 발전에 중요한 태양 전지의 전하 수송을 방해하지 않고 발생한다. 실험에서 이 분리층이 추가된 반투명 태양전지는 13.5%의 효율과 21.5%의 평균 광투과율을 달성했다고 연구진은 보고했다.

▲ L-글루타티온은 효과적인 라디칼 스캐빈저이다. 테스트 결과에 따르면 우리 몸뿐만 아니라 유기 태양 전지에서도 마찬가지다. © 퍼블릭 도메인

가장 중요한 것은 L-글루타티온을 사용하면 유기 태양 전지가 천 시간이 지난 후에도 여전히 약 80%의 성능을 유지한다는 것이다. 분리 레이어가 없으면 동일한 사용 기간 성능이 20%로 떨어졌다.

식물은 태양 전지 지붕 아래에서 더 잘 자란다.

새로운 태양 전지는 실제 테스트에서도 입증되었다. 이를 위해 과학자들은 반투명 태양 전지로 온실 지붕을 완전히 덮었다. 비교를 위해 두 번째 온실에는 일반 유리판과 번갈아 가며 불투명 무기 태양 전지로 만든 지붕이 제공되었다. 녹두, 밀, 브로콜리 새싹 등 다양한 작물이 8일 동안 양쪽 온실에서 재배되었다.

그 결과 반투명 박막 태양 전지가 있는 지붕 아래의 식물이 훨씬 더 잘 자랐다. "우리는 유기 태양 전지가 기존의 온실 지붕보다 더 나은 성능을 기대하지 않았다"며 "실험을 여러 번 반복했지만, 항상 같은 결과가 나왔다”고 즈하오는 말했다.

더 자세한 분석을 통해 식물이 실제로 더 약한 빛 아래에서 더 잘 자라는 이유를 설명했다. L-글루타티온 층은 너무 높으면 식물성장을 억제하는 자외선을 차단한다. 또한 태양 전지는 적외선을 흡수하여 온실이 과열되는 것을 방지했다. "태양에 너무 많이 노출되면 특히 여기 캘리포니아와 같은 기후에서는 득보다 실이 더 많을 수 있다"고 Zhao는 말했다.

농업 태양광 발전의 기회

과학자들에 따르면, 반투명 유기 태양 전지의 이 새로운 변형은 농업용 광전지뿐만 아니라 반투명 태양 모듈의 다른 응용 분야에 대한 새로운 가능성을 열어준다. 그들의 성공을 기반으로 연구팀은 이미 산업 생산을 위한 기술을 최적화하고 시장에 출시하고자 하는 스타트업을 설립했다.
(Nature Sustainability, 2023; doi: 10.1038/s41893-023-01071-2)
출처: University of California-Los Angeles

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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