세탁 가능하고 신축성이 뛰어난 혁신적인 태양전지로 8% 효율 달성

• 과학자들이 세척이 가능하고 길이가 절반으로 늘어날 수 있는 새로운 유기 초박형 태양전지를 개발했습니다. 
• 8% 효율로 햇빛을 전기 에너지로 변환하는 동시에 공기와 물 모두에서 매우 안정적입니다. 
• 몇몇 회사가 기술 상용화에 관심을 보였습니다. 

태양광 패널을 개발하는 것은 훌륭하지만 세척 가능하고 유연한 태양광 전지는 훨씬 더 좋습니다. 도쿄에 있는 RIKEN 연구소의 과학자들은 20번의 시뮬레이션 세탁 주기를 견딜 수 있고 길이가 절반으로 늘어날 수 있는 새로운 유기 초박형 셀을 개발했습니다.

이는 공기와 수중에서 신축성과 안정성을 유지하면서 더 높은 에너지 효율을 제공할 수 있는 세계 최초의 태양전지입니다.

이러한 셀은 직물, 네트워크 장치, 이동 중 모바일 장치 충전, 개인 건강 모니터 전원 공급 등에 사용될 수 있습니다. 기술적으로 가능성은 무한합니다. 과학자들이 이러한 세포를 정확히 어떻게 구축했는지, 그리고 그 세포가 무엇을 할 수 있는지 알아봅시다.

새로운 태양전지의 구조

RIKEN 신흥물질과학센터(CEMS)의 과학자 팀은 태양전지의 얇은 유기 활성층인 유기 광전지(OPV)를 개발했습니다. 태양에서 나오는 빛을 전기 에너지로 변환하며 효율은 8%이며 공기와 물 모두에서 매우 안정적입니다.

더 두꺼운 유기층을 사용하면 최대 10%의 전환율을 달성할 수 있지만 약 1마이크로미터 두께의 OPV의 경우 8%는 인상적인 전환율입니다. 그리고 유기물이 매우 얇기 때문에 부서지지 않고 휘어질 수 있습니다.

몇 달 전에는 동일한 층을 사용하여 태양 전지를 만들었지만 신축성이 충분하지 않았습니다. 이 문제는 나중에 (샌드위치 구조와 같이) 늘어난 고무 모양의 엘라스토머 시트를 외부에 통합하여 해결되었습니다. 이로 인해 태양 전지는 정점과 최저점이 있는 아코디언과 같은 구조로 접힐 수 있었습니다.

셀에 신축성을 부여하는 것과 함께 엘라스토머 시트는 어느 정도 방수 기능도 갖추고 있어 태양전지는 물 속에서 1시간 40분 동안 20주기의 기계적 압축을 견딜 수 있습니다. 20번의 세척 주기 후에 세포의 효율은 20%만 감소했습니다.

세척 및 늘어나는 유기태양전지

보다 구체적으로, 이 연구는 높은 효율(7.9%)과 신축성(52%)이 유지된 세척 가능한 폴리머 태양전지를 보여줍니다. 총 두께 3 마이크로미터의 기계적으로 안정되고 초유연한 OPV는 안정적인 활성층과 역구조를 결합하여 개발되었으며, 최대 7.9%의 전력 변환 효율을 제공하고, 대기 환경에서 안정적인 전력 변환 효율(1개월 후 초기 효율의 54%)과 41%의 신축성을 나타냅니다.

참고:자연 | doi:10.1038/s41560-017-0001-3 | 리켄 연구

자립형 OPV를 2시간 동안 물에 담갔을 때 효율 저하율은 20.8%였습니다. 두 엘라스토머 사이에 유연한 OPV를 삽입하면 감소율이 5.4%로 크게 억제되었습니다.

독립형 OPV의 구조

애플리케이션

이러한 태양전지는 체온, 심박수, 혈압 또는 피부 전기 활동을 측정하는 센서와 같은 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있습니다. 센서가 내장된 직물도 많이 있습니다. 이러한 기술을 새로운 유형의 태양전지와 결합하면 몇 가지 스마트 센서 의류 시스템이 개발될 수 있습니다.

먼 미래에 더 높은 전압이 실현될 수 있다면 의류에 있는 이러한 셀은 스마트폰, 태블릿과 같은 휴대용 기기를 충전하는 데 사용될 수 있으며 언젠가는 가정용 전력 수요를 충족할 수 있을 것입니다. 태양전지에 가볍고 얇은 배터리를 접목할 수 있다면 효율성은 더욱 높아질 수 있다.

실제 응용 프로그램은 아마도 3~5년 정도 걸릴 것입니다. 실제로 몇몇 기업이 이 기술의 상용화에 관심을 보였습니다.

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그러나 상용화의 두 가지 주요 장애물은 태양전지의 크기와 비용입니다. 현재로서는 10*10cm로 제한되어 있어 제작 비용이 꽤 많이 듭니다. 그러나 이는 주로 활성 레이어의 비용에 달려 있습니다. 시트 코팅은 놀라울 정도로 얇기 때문에 결국 비용이 절감됩니다. 따라서 시장의 대기업들이 이를 상용화하기로 결정한다면, 활성층 소재를 대량 생산하고 비용을 절감할 수 있는 새로운 기술을 구축할 수 있을 것이다.