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잠수정, 센서 및 기타 과학 장치에 태양 에너지를 수심 50m 깊이까지 공급.
파장 700~800 nm(나노 미터) 사이의 빛은 수심 약 2미터 깊이에서 거의 완전히 흡수돼.
최대 50m의 수심에서 400-600nm 사이의 빛만 남는다. 여기에 2.4eV의 밴드 갭을 가진 재료필요
Al-Ga-As(알루미늄-갈륨-비소), Cd-Zn-Te(카드뮴-아연-텔루륨), In-Ga-S 의 반도체 재료.
루브렌(Rubren), 펜타

수중용 태양 전지
앞으로 해저 측정 네트워크 및 잠수정은 햇빛에서 에너지를 끌어 올 수 있다.

잠수 보트용 태양전지 :
지금까지 태양 전지는 수중에 적합하지 않았지만 이제는 곧 적용이 가능할 것 같다.
연구원들은 잠수정, 센서 및 기타 과학 장치에 태양 에너지를 수심 50m 깊이까지 공급하는 방법을 보고했다. 따라서, 구리, 텔루륨 또는 비소의 합금으로 만들어진 반도체와 유기 태양 전지는 이 깊이까지 투과하는 빛의 파장을 이용할 수 있다.

▲ 유기 태양 전지뿐만 아니라 특정 무기 합금은 수중 장치에 태양 에너지 공급용으로 사용될 수 있다. © Allison Kalpakci

태양 에너지는 재생 에너지 공급의 중요한 기둥이다.
연구원들은 단결정 또는 다결정 실리콘으로 만들어진 고전적인 태양 전지 외에도 투명, 초박형, 심지어 유연한 태양광 패널과 같은 새로운 응용 분야를 가능케 하는 유기 태양 전지도 개발했다. 의류에 통합된 이 기술은 세척도 가능하다.

하지만 태양광 발전 분야에서는 지금까지 한 가지 응용 분야가 부족했다.
수중 장치, 센서 또는 해저 측정 네트워크와 같은 수중 설비에 태양광 발전이 사용되지 못한 것이다. 이유는 일반적인 실리콘 태양 전지의 소위 밴드 갭(Gap)은 1.1~최대 1.8eV(전자볼트)이므로 적외선 같은 적색 영역의 빛을 흡수한다. 그러나 이 파장영역은 수심이 깊어지면서 삼켜져 버린다.

녹색과 노란색이 가장 깊다

뉴욕 대학교의 제이슨 뢰르(Jason Röhr)와 그의 동료들은 태양 전지가 수중에서도 작동 할 수 있는지, 어떤 반도체 재료가 적합한지 조사했다.
그들은 5~50m의 수심에서 빛의 파동이 어떤 영역에 침투하는지, 그리고 이것이 핀란드 호수와 태평양, 대서양, 카리브해의 여러 해양 지역에서 어떻게 다른지 결정했다.

시험 결과, 수심이 깊을수록 투과하는 빛의 파장 범위가 좁아진다.
연구진은 “파장 700~800 nm(나노 미터) 사이의 빛은 바닷물의 종류에 관계 없이 약 2미터 깊이의 얕은 깊이에서 거의 완전히 흡수된다. 최대 50m의 수심에서 400-600nm 사이의 빛만 남는다. 이는 가시광선의 녹색과 노란색 범위에 해당하는 영역이다.

▲ 재료의 밴드 갭(Gap)과 수심에 따른 흡수광의 효율. © Röhr et al./Joule

비정질 실리콘, 비소 및 유기 반도체

그러나 어떤 태양 전지 재료가 이 빛을 가장 잘 포착할 수 있을까?
뢰르(Röhr)와 그의 팀에 따르면, 약 1.8eV의 밴드 갭을 가진 재료는 얕은 물에서 빛의 스펙트럼에 가장 적합할 것이다. 이것은 비정질 실리콘으로 덮인 영역이다. 그러나 최대 50m의 더 큰 수심에서는 약 2.4eV의 밴드 갭을 가진 재료가 필요하다.
그들은 ​​65%의 효율성으로 작용할 수 있 수 있었다.

Röhr와 그의 팀에 따르면, Al-Ga-As(알루미늄-갈륨-비소), Cd-Zn-Te(카드뮴-아연-텔루륨), In-Ga-S 및 기타 비소 합금과 같은 합금으로 만들어진 태양 전지가 이런 특성을 갖고 있다.

그러나 유기 태양 전지를 사용하는 것이 더 쉽고 저렴할 수 있다.
“이들은 일반적으로 비용이 저렴하고 낮은 조도에서 더 효과적으로 작동한다는 것이 입증됐다”고 연구원들은 설명했다. 그들의 계산에 따르면, 루브렌(Rubren), 펜타센(Pentacene) 그리고 보다 깊은 깊이에는 폴리(p-Phenylen페닐렌-Vinylen비닐렌) 유도체가 좋은 후보가 될 수 있다.

수중 방수

Röhr 교수는 “수중 태양 전지에는 다른 광 흡수 재료를 사용해야 하지만 이 기본 설계는 거의 변경하지 않아도 된다”고 설명했다. “지붕에서 볼 수 있는 일반적인 태양 전지판은 이미 환경 영향으로 인한 피해를 차단하기 위해 캡슐화돼 있다. 연구 결과에 따르면 이 태양 전지는 손상 없이 몇 달 동안 수중에 있을 수 있다.”
따라서 수중 태양 전지에도 동일한 캡슐화를 사용할 수 있다.

과학자들에 따르면, 그들의 새로운 발견은 이제 수중용으로 특별히 새로운 태양 전지를 개발할 유망한 기회를 열어 준다. 이것은 잠수함 센서와 측정 네트워크를 훨씬 더 경제적이고 효과적으로 만들 수 있다. 지금까지 그들은 케이블을 통해 육상에서 전기를 공급받거나 정기적으로 교체해야 하는 배터리를 가지고 있었다.

Joule, 2020; doi : 10.1016 / j.joule.2020.02.005
출처 : Cell Press

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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