햇빛은 무한한 에너지원이며, 햇빛을 이용해 전기를 생산하는 것은 재생에너지의 초석 중 하나입니다. 지구에 떨어지는 햇빛의 40% 이상이 적외선, 가시광선, 자외선 스펙트럼에 속합니다. 그러나 현재의 태양광 기술은 주로 가시광선과 자외선을 활용합니다. 총 태양 에너지로 알려진 태양 복사의 전체 스펙트럼을 활용하는 기술은 아직 초기 단계에 있습니다.
(왼쪽) 단일 구리 도핑된 텅스텐산 나노결정; (오른쪽) 나노결정의 원자 분해능 이미지.
홋카이도대학 공과대학 멜버트 지엠(Melbert Jeem) 조교수와 와타나베 세이이치(Seiichi Watanabe) 교수가 이끄는 연구팀은 태양 에너지를 최대한 활용하는 구리 도핑된 텅스텐 기반 물질을 합성했습니다. 그들의 연구 결과는 최근 Advanced Materials 저널에 게재되었습니다.
Jeem은 "현재 태양 복사의 근적외선 및 중적외선 스펙트럼(800nm ~ 2500nm)은 전기를 생성하는 데 사용되지 않았습니다. 텅스텐산은 이러한 파장을 흡수하는 결함이 있는 결정 구조를 보유하고 있기 때문에 이 스펙트럼을 활용할 수 있는 나노재료를 개발할 수 있는 후보입니다."라고 설명합니다.
UV에서 적외선까지 텅스텐산염 결정의 상대적 광 흡수 요약. 1, 5 및 10은 나노결정을 광임계화시키는 구리 농도입니다. 이미지 크레디트: MelbertJeem 외. 고급 재료. 2023년 7월 29일
과학자들은 다양한 농도의 구리가 도핑된 텅스텐 나노결정을 합성하기 위해 이전에 개발한 광가공 기술인 미세결정의 수중 광합성을 사용했습니다. 이러한 나노결정의 구조와 광흡수 특성을 분석했습니다. 광열, 광 보조 수분 증발 및 광전기 화학적 특성을 측정했습니다.
구리가 첨가된 텅스텐 산화물 나노결정은 자외선부터 가시광선, 적외선까지 빛의 전체 스펙트럼을 흡수합니다. 구리 도핑량이 1%일 때 적외선 흡수가 가장 큽니다. 1% 및 5% 구리가 첨가된 나노결정은 가장 높은 온도 상승(광열 특성)을 나타냅니다. 1% 구리 도핑 결정은 또한 시간당 평방 미터당 약 1.0kg인 가장 큰 물 증발 효율을 보여줍니다. 1% 구리 도핑된 나노결정의 구조 분석에서는 구리 이온이 텅스텐 산화물의 결정 구조를 왜곡하여 빛이 흡수될 때 관찰되는 특성을 유발할 수 있음이 밝혀졌습니다.
"우리의 발견은 완전한 태양 에너지를 합성하고 활용할 수 있는 나노결정 설계에 있어서 중요한 진전을 의미합니다"라고 Watanabe는 결론을 내렸습니다. "우리는 구리 도핑이 완전한 태양 에너지 활용을 통해 텅스텐 나노결정에 다양한 특성을 부여한다는 것을 입증했습니다. 이는 이 분야에 대한 추가 연구와 응용 개발을 위한 틀을 제공합니다."