독일 마틴 루터 대학교 할레-비텐베르크(Martin Luther University Halle-Wittenberg) 연구팀은 태양광 기술의 주요 발전을 공개하여 특정 재료로 생산되는 전기량을 크게 늘리는 방법을 공개했습니다. 그들의 접근 방식에는 다양한 결정체의 초박형 층을 정확한 순서로 쌓아 기존 재료보다 훨씬 더 나은 성능을 발휘하는 태양열 흡수체를 만드는 것이 포함됩니다.
Science Advances에 발표된 이번 발견의 중심에는 티탄산바륨(BaTiO₃)이 있습니다. 이 물질은 그 자체로는 그리 효율적이지는 않지만 빛을 전기로 변환하는 능력으로 잘 알려진 물질입니다.
과학자들은 티탄산스트론튬과 티탄산칼슘이라는 두 가지 다른 물질 사이에 티탄산바륨의 얇은 층을 삽입함으로써 티탄산바륨을 덜 사용하더라도 티탄산바륨 단독보다 더 많은 전기를 생산하는 구조를 만들 수 있음을 발견했습니다.
이러한 개선은 주목할 만합니다. 이 층 구조는 동일한 양의 티탄산바륨 단독보다 최대 1,000배 더 많은 전기를 생성합니다. 연구원들은 또한 각 층의 두께를 조정하여 이 효과를 미세 조정할 수 있었고 이를 통해 시스템 성능을 제어할 수 있었습니다.
연구를 이끈 Akash Bhatnagar 박사는 "여기서 중요한 것은 강유전성 물질이 상유전성 물질과 상호교환적으로 사용된다는 것"이라고 Bright News에 말했습니다. 그는 상유전성 물질이 자연적으로 전하를 분리하지는 않지만 저온이나 구조의 약간의 변화와 같은 특수한 조건에서는 강유전체처럼 거동할 수 있다고 지적했습니다.
티탄산바륨은 빛을 전기로 변환할 수 있지만 그 자체로는 그다지 효율적이지 않습니다.
이러한 성능 향상 뒤에 숨은 과학은 레이어 간의 상호 작용에 있습니다. 이러한 물질을 함께 쌓으면 빛을 흡수하고 전하를 관리하는 능력이 변경됩니다. 층 구조는 햇빛 흡수를 향상시키고 전기 생성에 중요한 자유 이동 전하 생성을 촉진합니다.
"격자 층 사이의 상호 작용은 더 높은 유전 상수를 가져오는 것으로 보입니다. 즉, 가시광자에 의한 여기로 인해 전자가 더 쉽게 흐를 수 있다는 것입니다."라고 Bhatnagar는 말했습니다.
새로운 물질을 만들기 위해 팀은 고출력 레이저를 사용하여 결정을 기화시킨 다음 두께가 200나노미터에 불과한 층으로 재증착했습니다. 결국 그들은 500개의 층이 적층된 구조를 구축했다.
레이저 조사 하에서 테스트했을 때, 이 "크리스탈 샌드위치"는 광전지 구성 요소가 2/3 더 적음에도 불구하고 동일한 두께의 순수 티탄산바륨보다 1,000배 더 강한 전류를 생성했습니다. 효과는 매우 안정적인 것으로 입증되었으며 6개월 동안 거의 일정하게 유지되었습니다.
이 기술은 태양 에너지에 광범위한 영향을 미칩니다. 이 기술을 사용하여 제작된 태양광 패널은 현재의 실리콘 기반 태양전지보다 더 효율적이고 공간을 덜 차지하므로 공간이 제한된 도시 환경에서 특히 매력적입니다. 또한, 별도의 포장이 필요하지 않아 소재 제작이 간편하고 내구성이 뛰어납니다.
이에 대한 메커니즘을 완전히 이해하려면 추가 연구가 필요하지만 이번 발견은 태양광 패널과 광에너지 장치의 미래에 좋은 징조입니다. 과학자들은 서로 다른 재료를 교묘하게 겹쳐서 빛 에너지를 사용하여 전기를 보다 효율적으로 생산할 수 있는 문을 열었고 잠재적으로 태양 에너지를 사용하는 방식에 혁명을 일으켰습니다.