Beyond the Space

강심장의 인공위성을 만들기 위해서...(1)
강심장의 인공위성을 만들기 위해서...(2)

태양전지판은 인공위성에 전력이라는 피를 돌려주는 심장과 같은 존재인 바,

많은 인공위성 개발자들은 강심장의 인공위성을 만들기 위해 효율 높은 태양전지를 갈망해왔다.

그리하여 GaAs 태양전지를 만들어내고 다중적층 태양전지를 만들어내기도 했는데

높은 효율을 끌어내기 위해서 다중적층 방법을 고집할 필요가 없다는 것이 알려지기 시작했다.

두번째 포스트에서 설명한 바와 같이 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 재질의 양자효율을 높이거나

더 넓은 범위의 파장대역에서 태양빛을 흡수할 수 있으면 된다.

이제부터 설명하게 될 양자점(Quantum Dot) 방식은 다중적층 태양전지와 마찬가지로 좀 더 넓은 파장대역에서

태양전지를 동작하게 할 수는 없을까 하는 고민의 산물이다.



                                                             <Quantum Dot의 구조>

양자점이란 크기가 수백 나노미터 정도인 일종의 미세 입자를 의미한다.

양자역학에 의해서 많이 알려졌겠지만 세상의 물질이라는 것이 나노 단위로 작아지기 시작하면

여러가지 우리가 생각하지 못했던 성질들이 튀어나오기 시작한다.

나노입자의 빛을 흡수하고 방출하는 성질이 입자의 크기에 따라서 변한다던가 하는 것과 같이 말이다.

그렇다, 어떤 특정 재질을 이용하여 양자점을 만들게 되면 짧은 파장대역의 빛을 흡수하여 긴 파장의 빛을 방출하기도 한다.

즉, 파장 변환기의 역할을 할 수 있다는 것이다.

아래 그림을 보자.



이것은 PbS 화합물로 만들어진 양자점이 가지는 빛의 흡수 및 방출 파장에 대한 그래프이다.

왼쪽이 흡수 특성, 오른쪽이 방출 특성인데 보이는 것과 같이 짧은 파장대역의 빛을 흡수하고

긴 파장대역의 빛을 방출하는 것을 알 수 있다.

그렇다면 단일 적층된 일반적인 태양전지에 그 태양전지의 양자효율이 낮은 짧은 파장대역을 흡수하고

반대로 양자효율이 높은 파장대역의 빛을 방출하는 양자점을 덧씌운다면...

태양전지가 커버할 수 있는 파장 대역이 넓어지는 것을 의미하고 그것은 효율의 향상으로 이어진다.

만일 서로 다른 특성을 가진 양자점들을 잘 조합하면 거의 모든 태양 스펙트럼의 에너지를 흡수할 수 있을 것이다.

이렇게 만들어진 태양전지의 효율은 약 66%로 계산된다.

기존 다중적층 태양전지의 효율이 30%근방인 것을 감안할 때 두 배 이상되는 효율 상승이다.


그리고 양자점에는 이 파장 변환 특성보다 더 중요한 특성이 있는데

그것은 Multiple Exciton Generation이다.  (적절한 한글용어를 찾기 어려웠다.)

일반적으로 태양전지의 가장 기본적인 원리에서는 하나의 광자(빛의 입자)가 하나의 전자를 생성해낸다.

이 과정에서 전자를 끄집어 내는 일에 투입되는 에너지와 광자가 가지고 있던 에너지의 비가 바로 양자 효율이 되는 것이다.

전자를 끄집어내고 남은 에너지는 열로 변환되어 사라진다. (원리는 더 복잡하지만 이정도로만 이해하자)

그런데 이 양자점이라는 것을 태양전지에 사용하게 되면 다른 현상이 벌어지게 된다.

그 남은 에너지가 충분하다면 열로 사라지지 않고 또 다른 전자를 생성해 내는 것이다.

한 광자가 한 양자점에 흡수되어 전자를 생성하고 남은 에너지는 열로 변환되는 것이 아니라

그 남은 에너지를 가지는 또다른 광자로 바뀌게 된다.

이 광자는 다시 양자점에 흡수되어 전자를 생성하고 다시 남은 에너지는 또 다른 광자를 생성하는 과정이 반복...

즉, 하나의 광자로 여러개의 전자를 생성해 내는 성질, 이것이 Multiple Exciton Generation이다.

당연히 버려지는 에너지가 적어지면 효율은 상승할 수 밖에 없다.

아직 Multiple Exciton Generation을 제대로 응용한 태양전지는 나오지 않은 상태이지만

실험실 수준에서 기존의 수 배 이상 높은 양자 효율을 기록하였다는 결과가 발표되었다.


이상으로 의도한 바와는 달리 세 번에 걸쳐서 진행되어버린 인공위성의 심장, 태양전지 시리즈를 마친다.

높은 효율을 가지는 태양전지는 비단 인공위성에만 필요한 것이 아니다.

거의 무한한 용량을 가지고 있는 청정 에너지원인 태양을 효율적으로 이용할 수만 있다면

인간은 석유와 같은 화석 에너지 때문에 서로 싸우고 괴로워하지 않아도 될 지 모른다.

기술은 점점 발전해가고 훗날 언젠가는 분명히 충분히 높은 효율을 가지고도 충분히 저렴한 태양전지가 개발되어

지구의 땅 속에 고정되어 있는 우리의 눈을 저 드넓은 우주 한 가운데로 돌리게 해 줄 것이다.