내구성 있는 알루미나 나노입자가 페로브스카이트 태양전지 수명을 10배 연장

혁신적인 연구팀이 알루미나 나노입자가 태양광 패널 수명을 10배 연장할 수 있음을 보여주는 연구를 발표했습니다. 전 세계가 향후 수십 년 안에 순탄소 배출 제로 목표에 다가가면서 재생에너지의 시장 진입을 강력히 추진하고 있습니다. 풍력 터빈과 태양광 패널과 같은 재생에너지 옵션은 신뢰할 수 있는 청정 에너지 솔루션을 제공합니다. 그러나 이러한 장치들은 완벽하지 않으며, 시간이 지남에 따라 성능이 저하됩니다.

태양광 패널 종류

태양광 패널 기술은 지속적으로 발전하고 있습니다. 현재 시장에는 PERC, 단결정, 다결정, 박막 패널의 네 가지 주요 유형이 있습니다. 이러한 옵션은 효율성, 수명, 크기 및 내구성 측면에서 장단점이 있습니다.

PERC (패시베이티드 이미터 및 리어 셀)

PERC 태양광 패널은 효율성을 극대화하기 위해 이중 레이어 설계를 통합합니다. 특히, 이 설계를 사용하면 +20%의 효율을 달성할 수 있습니다. 중간 수준의 내구성과 수명을 제공합니다. 그러나 목록 중 가장 비싼 옵션이므로 대부분의 주택 소유자에게는 이상적이지 않습니다.

단결정

단결정 패널은 또 다른 고가 옵션으로 20% 효율을 제공합니다. 이 패널은 실리콘 결정체를 기본 재료로 사용합니다. 네 가지 옵션 중 가장 긴 수명을 제공하지만, 전체 비용도 상승시킵니다.

출처 – ACS

다결정

다결정 패널은 실리콘 조각을 녹여서 제작합니다. 이 방식은 제조 비용을 낮추어 옵션을 보다 저렴하게 만듭니다. 그러나 이러한 유닛은 다른 패널보다 크고 효율이 낮습니다. 대부분의 경우 평균 효율은 15%입니다.

박막 패널

박막 패널은 가장 낮은 효율을 제공하지만 가장 큰 유연성과 저렴함을 제공합니다. 이러한 패널은 RV와 같이 공간이 제한된 곳에서 볼 수 있습니다. 박막 패널은 다양한 재료로 만들 수 있으며, 일반적인 두 가지 옵션은 CdTe(카드뮴 텔루라이드)와 a-Si(비정질 실리콘)입니다.

페로브스카이트 태양전지 (PSC)

페로브스카이트 태양전지는 오늘날 사용되는 가장 첨단 태양광 패널 유형입니다. 이 실리콘 기반 패널은 가볍고 컴팩트한 형태에서 높은 효율을 제공합니다. 이를 위해 자체 조립 단일층(SAM)을 도입하여 성능을 향상시키면서 가격 상승을 억제합니다.

PSC의 문제점

PSC는 여전히 많은 단점을 가지고 있습니다. 첫째, 다른 패널 옵션과 마찬가지로 요오드 누출 문제가 발생합니다. 이러한 재료 내부의 화학 반응으로 시간이 지남에 따라 분자 요오드가 생성되어 열화 과정을 가속화하고 성능을 저하시킵니다.

알루미나 나노입자 연구

페로브스카이트와 장치 안정성에 대한 분자 변조제의 나노스케일 전기·전자 특성에 대한 이해가 부족함을 인식한 서리 대학교 엔지니어들은 이러한 장치의 수명과 성능을 향상시키는 새로운 방법을 제시했습니다. EES Solar에 게재된 보고서 “Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer“¹는 열화 과정에서 이들 물질의 내부 작동 방식을 밝히며, 엔지니어들이 표면 변조제를 더 잘 이해하고 향후 장치 개선에 활용할 수 있게 합니다. 연구의 일환으로 팀은 주요 태양광 패널 유형들의 내구성을 서로 비교하는 실험을 시작했습니다.

PFN–Br

이 폴리머 전해질은 PSC에서 일반적으로 사용됩니다. 신뢰할 수 있는 성능과 중간 수준의 수명을 제공합니다. 팀은 현재 시장에서 가장 앞선 소재로 평가되어 이 재료를 활용하기로 결정했습니다.

알루미나 (Al₂O₃) 나노입자

엔지니어들은 연구의 일환으로 알루미나(Al₂O₃) 나노입자를 개발했습니다. 이 작은 입자는 시간이 지남에 따라 태양광 패널 내부에서 방출되는 요오드를 포획하도록 설계되었습니다. 목표는 요오드가 셀의 다른 부분으로 퍼져 성능을 저하시키는 것을 방지하는 것이었습니다.

2D 페로브스카이트

이를 위해 엔지니어들은 습기에 대한 2D 페로브스카이트 장벽을 만들었습니다. 이 장벽은 열화를 유발하는 외부 물질이 패널 내부로 침투하는 것을 차단했습니다. 이 전략은 패널의 신뢰성과 내구성을 향상시켰습니다.

알루미나 나노입자 테스트

이론을 검증하기 위해 엔지니어들은 패널을 실제 환경에 노출시켜야 했습니다. 테스트 단계에서 팀은 극심한 열 및 습도 상황을 만들었습니다. 패널을 해당 환경에 배치하고 시험했습니다. X선 광전자 분광법(XPS)을 이용해 스트레스 조건에서 열화되는 셀의 진행 상황을 면밀히 추적했습니다.

켈빈 탐침 힘 현미경

그 후 엔지니어들은 켈빈 탐침 힘 현미경을 사용해 변조제가 표면에 미치는 영향과 신선 및 열화된 샘플의 전자 균일성을 모니터링했습니다. KPF 현미경은 페로브스카이트 필름의 표면 전자 균일성을 분석하는 데 활용되었습니다. 이를 통해 연구자들은 알루미나 나노입자가 직접적인 작동을 관찰하는 것이 아니라, 안정성 향상과 열화 감소에 어떻게 기여하는지 이해할 수 있었습니다.

안정성 테스트

안정성 테스트는 캡슐화된 습기 차단층이 강도 높은 조건에서 어떻게 견디는지를 확인하는 것이었습니다. 각 노출 사이클 후에 장치를 주기적으로 테스트했습니다. 이 전략을 통해 과학자들은 각 셀을 직접 비교하기가 쉬워졌습니다.

알루미나 나노입자 테스트 결과

테스트 결과는 이 기술에 큰 가능성을 보여줍니다. 첫째, 알루미나 나노입자를 사용한 셀은 더 많은 에너지를 생산하고 경량화가 가능했습니다. 이 장치들은 1,530시간 동안 테스트한 결과 전력 생산 감소가 최소화된 높은 성능을 나타냈습니다.

특히, 나노입자가 함유된 유닛은 이전 제품보다 수명이 10배 더 길었습니다. 엔지니어들은 Al₂O₃ 나노입자가 보다 균일한 페로브스카이트 구조를 형성하는 데 기여한다는 것을 발견했습니다. 이 향상된 구조는 결함을 감소시키고 전기 연결성을 높였습니다.

인상적으로, 나노입자는 2D 보호 코팅을 형성하여 습기가 유닛 내부로 침투하는 것을 차단했습니다. 테스트 결과 물 투과율이 약 4 × 10⁻³ g/m²·day로 낮게 나타났습니다. 따라서 새로운 유닛은 악천후와 영구 설치 환경에 더 적합합니다.

알루미나 나노입자 혜택

알루미나 나노입자는 다른 옵션을 대체하기에 현명한 선택이 되는 다양한 장점을 가지고 있습니다. 첫째, 작은 형태에서도 높은 효율을 제공합니다. 도시 옥상처럼 공간이 제한된 경우에도 이 패널에서 더 많은 이점을 얻을 수 있습니다.

수명 연장

주거나 사업장에 태양광을 설치하는 비용은 저렴하지 않습니다. 시스템 비용이 $50,000 이상인 경우가 흔합니다. 이러한 장치의 수명을 연장하고 비용을 절감할 수 있는 기술은 시장에서 빠르게 채택될 것입니다.

제조 비용 절감

알루미나 나노입자 패널을 제작하는 또 다른 주요 장점은 수명 연장을 고려했을 때 제조 비용이 낮다는 것입니다. 태양광 패널이 고도화됨에 따라 최신 버전이 이전 버전보다 크게 비싸지는 추세였습니다. 이번 최신 과학적 돌파구는 이러한 추세를 뒤집어 제조업체가 더 저렴한 비용으로 우수한 제품을 제공할 수 있게 합니다.

알루미나 나노입자 연구자들

알루미나 나노입자 연구는 서리 대학교 엔지니어 팀에 의해 제시되었습니다. 주요 저자로 W. Hashini K. Perera가 명시되어 있으며, 영국 국립 물리 연구소와 셰필드 대학교의 협력자들이 함께 참여했습니다. 이제 팀은 2~5년 내에 상용 제품을 생산할 수 있도록 기술을 개선하는 연구를 지속하고자 합니다.

태양광 패널 시장을 선도하는 기업들

청정 에너지 경쟁은 여러 주목할 만한 태양광 패널 제조업체와 시장 참여자들의 부상을 이끌었습니다. 새로운 기술을 개발하는 기업부터 패널을 설치하는 인력까지, 이 분야는 계속 확장되고 있습니다. 다음은 주요 돌파구를 활용하고 수익을 높일 수 있는 위치에 있는 기업입니다.

First Solar, Inc.

First Solar Inc. (FSLR ) 은 1999년에 신뢰할 수 있는 태양광 시스템을 전 세계에 제공한다는 목표로 시장에 진입했습니다. 특히, 이 회사는 Solar Cells에서 이름을 바꾸어 광전지(PV) 분야로 전환했습니다. 현재 본사는 애리조나 주 템피에 위치하며 다양한 태양에너지 솔루션을 제공합니다.

특히, First Solar는 중국 제조를 사용하지 않는 유일한 주요 미국 태양광 시스템 공급업체입니다. 이 회사는 미국 내에서 박막 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 패널을 생산합니다. 또한 First Solar는 신뢰할 수 있는 CdTe 태양광 모듈을 시장에 제공한 최초 기업 중 하나였습니다.

태양광 부문에 투자하려는 사람들은 First Solar에 대해 더 많은 조사를 해야 합니다. 이 회사는 좋은 평판을 가지고 있으며, 시장 위치 덕분에 알루미나 나노입자와 같은 신기술을 도입해 제품 성능을 향상시킬 수 있습니다. 따라서 많은 투자자들이 First Solar를 “강력 매수”로 평가하고 있습니다.

First Solar Inc. 최신 소식

알루미나 나노입자가 태양광 패널을 더 견고하게 만들다

화석 연료 의존도를 줄여야 할 필요성으로 지난 10년간 태양광 패널 설치가 급증했습니다. 이번 최신 연구는 비용을 절감하고 성능 및 수명을 향상시켜 태양광 시스템 채택을 더욱 촉진할 수 있습니다. 따라서 이 팀은 미래 혁신의 문을 연 공로를 인정받아야 합니다.

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참조 연구:

^{1. Perera, W. H. K., Woodgate, T. J., Kim, D. K., Kilbride, R. C., Masteghin, M. G., Smith, C. T. G., Hinder, S. J., Wood, S., Jayawardena, K. D. G. I., & Silva, S. R. P. (2025). Improved stability and electronic homogeneity in perovskite solar cells via a nanoengineered buried oxide interlayer. EES Solar. https://doi.org/10.1039/d4el00029c}