기초과학

다롄화학물리연구소, 양자분리 태양광 집광판 개념 제안

발행일 : 2019 / 01 / 11

최근 중국과학원 다롄(大連)화학물리연구소 광전재료역학특구연구조(組) 우카이펑(吳凱豐) 연구팀은 희토류금속 이터븀 도핑의 나노결정 재료를 기반으로 “양자분리 태양광 집광판” 개념을 최초로 제안하였고 또한 해당 개념에 기초하여 고효율 태양광 집광판 프로토타입 장치를 제조하였다. 해당 성과는 “Nano Letters”에 게재되었다.

발광형 태양열 집광판(Luminescent Solar Concentrators, LSCs)은 1976년에 W. H. Weber 등에 의해 제안되었다. LSCs는 실리콘 기반 태양전지를 대상한 저가 보완 방안이다. LSCs는 일종의 구조가 상대적으로 간단한 대면적 태양광 포획장치로서 발광단(luminophore)을 투명한 기저(유리판 등)에 코팅하거나 삽입하는 구조이다. 발광단은 패널에 입사된 태양 광자를 흡수한 후 광자를 방출한다. 기저와 공기의 굴절율 차이로 인해 그중의 약 75% 광자는 전반사 모드에 돌입해 패널의 가장자리로 도파된다. 패널 가장자리로 도파된 광자는 패널 가장자리에 부착된 태양전지를 작동시켜 광에너지를 전기에너지로 전환시킨다. 집광효율을 충분히 높일 경우 가장자리에 소량 태양전지를 부착한 1개 LSC만으로 1개 대면적 태양전지에 해당하는 성능을 달성할 수 있어 태양광발전의 원가를 대폭 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 완전 투명 LSCs 또는 반투명 LSCs를 건축물 창문유리에 직접 통합시켜 태양에너지 유리창으로 변신시킴으로써 현존 에너지소비형 건축물로 하여금 에너지 자급자족을 실현할 수 있다. 기존의 LSCs 발광단은 형광효율(80% 이하)이 낮고 자기흡수(self absorption) 손실로 인해 장치 내부 광학효율이 일반적으로 60%에 못 미친다.

양자분리(quantum cutting)는 신기한 광학현상이다. 양자분리 효과에 기반한 재료는 1개 고에너지 광자를 흡수함과 동시에 2개 저에너지 광자를 방출하면서 에너지 보존이란 기본적 물리법칙을 충족시킨다. 따라서 이론상 발광단의 형광 양자 효율을 배로 증가시킬 수 있다. 또한 발광 파장이 재료의 변두리 부위에서 멀리 떨어져 있기에 발광단의 자기흡수 손실을 완전히 억제할 수 있다.

연구팀이 제안한 양자분리 효과 기반 LSCs는 이론적으로 200%의 형광 양자 효율을 달성할 수 있고 또한 자기흡수 손실도 완전히 억제할 수 있다. 따라서 내부 광학효율(ηint)의 이론적 한계를 150%로 새롭게 정의할 수 있다. 연구팀은 희토류금속 이터븀을 도핑한 CsPbCl3 나노결정을 합성하였고 그 형광효율이 164%에 도달해 전형적인 양자분리 특성을 나타냄을 발견하였다. 재료역학 시험 결과 고효율적 양자분리 과정은 피코초 단위에서 발생하였다.

상기 유형의 나노결정으로 제조한 프로토타입의 양자분리 LSCs은 약 120%의 장치 내부 광학효율을 달성하였다. 향후 장치에 대한 더한층 최적화 및 태양광 흡수성능 향상을 통해 대면적 LSCs에서 10%의 외부 광학효율(ηext)을 달성할 전망이다.

연구팀이 최초로 제안한 “양자분리 태양광 집광판” 개념은 태양광발전 원가 절감 및 스마트 건축물 구축 분야에 광범위한 응용전망이 있다. 도시화 추진과 더불어 LSCs로 시구역의 태양전지 부설 면적은 줄지만 건축물 유리창 면적은 충분히 활용할 수 있다. 고효율 저원가 LSC 방안은 완전 투명 또는 반투명 태양에너지 유리창에 응용 가능한 외, 에너지를 자급자족하는 “스마트 교통”에도 응용이 가능해 에너지 절약 및 배기가스 감축을 달성할 수 있다.

뿐만 아니라 온실에도 LSCs를 응용할 수 있다. 연구에 의하면 식물은 적색광에 대한 광합성작용 효율이 가장 높다. LSCs 기술을 온실에 접목시킴으로써 식물의 성장을 최적화함과 아울러 전력도 생산할 수 있다.