마이크로미터 광전지, 디바이스 소형화를 위한 ‘기술적 돌파구’

지속 가능한 에너지 솔루션이 그 어느 때보다 중요한 시대에, 지속 가능한 에너지 솔루션의 진화는 혁신의 최전선에 서 있습니다.  최근 사례는 오타와 대학교 (U of O)에서 나온 것으로, 과학자 팀이 “백컨택 마이크로미터 광전지를 최초로 제조함으로써 세계 최초를 달성했다”는 성과를 얻었습니다. 이는 전자 기기의 지속적인 소형화를 촉진하는 “중요한 단계“로 묘사되고 있습니다.

• Mathieu de Lafontaine, U of O의 박사후 연구원이며 파트타임 물리학 교수
• Karin Hinzer, 부학장, 연구, 그리고 공학부 에너지용 광자 장치 분야 대학 연구 의장

U of O가 이 돌파구의 중심이었지만, 팀은 퀘벡의 Université de Sherbrooke와 프랑스 그르노블의 Laboratoire des Technologies de la Microélectronique의 지원도 받았습니다.

광전지는 무엇인가요?

광전지는 일반적으로 태양전지라고도 불리며, 햇빛을 직접 전기로 변환하는 장치입니다.  이들은 반도체 재료(예: 실리콘)에 빛 에너지(광자)가 닿아 전자를 원자 궤도에서 떨어뜨리면서 전류를 발생시키는 광전 효과 원리를 기반으로 작동합니다.

이러한 셀은 태양광 패널의 기본 구성 요소이며, 재생 가능하고 청정한 전력원을 활용하는 데 핵심적인 역할을 합니다.  오타와 대학교가 개발한 마이크로미터 광전지는 효율적이고 컴팩트한 솔루션을 제공함으로써 이 기술에 중요한 도약을 의미합니다.

‘백컨택 마이크로미터 광전지’란 무엇인가요?

앞서 언급했듯이, 백컨택 마이크로미터 광전지는 태양광 기술에서 획기적인 진보를 나타냅니다.  전통적인 태양전지와 달리 전기 접점이 앞면과 뒷면에 모두 배치되는 반면, 백컨택 셀은 모든 전기 접점을 후면에만 배치합니다.

‘그림자 효과’란 무엇인가요?

태양전지에서 ‘그림자 효과’는 셀 표면에 전기 접점이 존재함으로써 햇빛이 차단되는 현상을 말합니다.  전통적인 광전지는 보통 은이나 알루미늄으로 만든 금속 접점을 상단 표면에 배치하여 셀이 생성한 전류를 수집하고 전달합니다.

하지만 이러한 접점은 들어오는 햇빛의 일부를 차단하여 광전 재료에 도달하지 못하게 합니다.  이 차단은 전기로 변환 가능한 빛의 양을 감소시켜 태양전지의 전체 효율을 낮춥니다.

출처: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325

그림자 효과를 줄이는 것은 여러 면에서 중요합니다:

1. 효율 증가: 접점이 차지하는 면적을 최소화함으로써 셀 표면의 더 많은 부분이 빛 흡수와 전기로의 변환에 적극적으로 참여할 수 있습니다. 이는 셀의 전체 효율을 향상시켜 동일한 햇빛으로 더 많은 전력을 생산할 수 있게 합니다.
2. 비용 효율성: 효율이 높아지면 동일한 양의 에너지를 더 적은 셀로 생산할 수 있습니다.  결과적으로 태양광 시스템 전체 비용이 감소하여 태양에너지가 다른 에너지 형태와 경쟁력을 갖추게 되고, 더 넓은 사용자층이 접근하기 쉬워집니다.
3. 다재다능성 및 설계 유연성: 그림자를 줄이면 보다 혁신적이고 유연한 태양전지 설계가 가능해집니다.  이는 더 효율적일 뿐만 아니라 얇고 가벼운 셀 개발로 이어져, 우주항공, 휴대용 기기, 건물 통합 솔루션 등 공간과 무게가 제한되는 분야에 특히 유리합니다.

그림자 효과를 감소시키는 것은 현재 백컨택 마이크로미터 광전지로 해결되고 있는 태양광 기술 발전의 핵심 요소입니다.  따라서 우리는 곧 더 효율적이고 비용 효율적이며 다재다능한 태양전지를 기대할 수 있으며, 이는 궁극적으로 지속 가능한 전력원으로서 태양에너지의 광범위한 채택에 기여할 것입니다.

소형화가 왜 중요한가요?

전통적인 광전지에서 그림자 효과를 줄이는 것 외에도, 백컨택 설계는 소형화를 크게 향상시킵니다.  이는 전자 및 재생 에너지 기술 분야에서 공간과 자원을 보다 효율적으로 활용하면서 성능을 강화할 수 있기 때문에 매우 중요합니다.

이 셀들의 소형화 또는 ‘마이크로미터’ 특성은 두께가 인간 머리카락의 약 두 배 정도에 불과합니다.  그 결과, 오타와 대학교가 개발한 이 작고 효율적인 광전지는 생산 비용을 크게 낮출 수 있으며(최대 3배 감소 가능) 생산 효율성을 크게 향상시킵니다.

이 기술적 돌파구는 사회에 상당한 혜택을 약속합니다. 저렴하고 더 강력한 태양전지는 에너지 전환을 가속화하는 데 도움이 될 것입니다.

경량 핵 배터리는 우주 탐사를 촉진하고, 기기의 소형화는 사물인터넷(IoT)의 성장에 기여하며 더 강력한 컴퓨터와 스마트폰을 만들 것입니다. – Mathieu de Lafontaine

흥미롭게도, 이 소형화는 단순히 기기를 작게 만드는 것이 아니라 더 똑똑하고 다양한 환경에 적응할 수 있게 만드는 것입니다.  사물인터넷(IoT)과 스마트 기술이 보편화되는 점점 연결된 세상에서, 소형화된 광전지는 전통적인 전원 공급 장치의 제약 없이 다양한 기기에 전력을 공급할 수 있습니다.

따라서 이 진보는 전력 생산 및 소비에 있어 보다 친환경적이고 지속 가능한 접근 방식을 촉진하며, 탄소 중립 경제로의 전환에 직접적으로 기여합니다.

광전지는 어디에 사용되나요?

광전지는 백컨택 제조와 같은 혁신으로 지속적으로 확대되는 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.  이러한 다재다능함과 매력은 청정하고 재생 가능한 방식으로 전기를 생산할 수 있다는 점에서 크게 기인합니다.

전통적인 전력 생산을 넘어, 이들은 우주 탐사와 같이 위성 및 우주선에 전력을 공급하는 원격 및 휴대용 전력 시스템에 필수적입니다.

셀의 소형화로 인해 그 적용 범위는 더 밀집된 전자 기기로 확대되어, 통신 및 사물인터넷(IoT)과 같은 산업을 변혁시킬 잠재력을 가집니다.  앞서 언급했듯이, 소형화는 보다 효율적이고 컴팩트하며 다재다능한 태양광 솔루션을 가능하게 하여 광전지 기술이 적용될 수 있는 영역을 넓혀줍니다.

산업 플레이어

현재 지속 가능한 에너지 분야에서 태양광 적용에 초점을 맞춘 몇몇 주목할 만한 기업들이 성장에 기여하고 있습니다.  아래는 이러한 기업들 중 일부와 추가적인 주목할 만한 기업들입니다.

1.  NextEra Energy Resources

(NEE )

NextEra Energy Resources는 NextEra Energy의 자회사로, 태양광 에너지 분야에서 큰 진전을 이루고 있습니다.  2023년 1분기에 이 회사는 약 2,020MW의 재생 가능 및 저장 자산을 백로그에 추가했으며, 여기에는 약 1.3GW의 태양광, 저장 및 풍력 자산이 포함됩니다.  이 추가로 프로젝트 백로그는 20.4GW를 넘어섰으며, 재생 에너지 포트폴리오 확대에 대한 강력한 의지를 보여줍니다.

주목할 만한 프로젝트로는 켄터키 주 헨더슨 카운티에 위치한 Sebree Solar 400MW 태양광 프로젝트가 있으며, 이는 NextEra Energy Resources의 자회사인 Sebree Solar가 개발하고 있습니다.

또한 NextEra Energy Resources는 자회사인 Green River Solar를 통해 또 다른 200MW 태양광 프로젝트에 참여하고 있습니다.  이러한 이니셔티브는 태양광 에너지를 선도적인 재생 에너지 시장 플레이어로서 발전시키려는 NextEra Energy Resources의 약속을 반영합니다.

2.  First Solar

(FSLR )

First Solar는 미국 기반의 대표적인 카드뮴 텔루라이드 박막 태양광 모듈 전문 기업으로, 2023년 현재 태양광 분야에서 큰 성과를 보이고 있습니다.  매출 8억 1백만 달러와 한 분기에 2.7GW의 태양광 모듈 주문을 출하하며 강력한 성장세와 태양광 기술에 대한 집중을 보여줍니다.  증가하는 수요에 대응하기 위해 First Solar는 미국 및 해외에서 제조 능력을 확대하고 있으며, 2026년까지 전 세계 25GW 용량을 목표로 하고 있습니다.

특히 First Solar는 업계 최초로 양면 박막 모듈 생산을 선도했습니다.  이 혁신적인 기술은 양면 에너지 획득과 높은 에너지 수율을 가능하게 하여 태양광 모듈 효율성에 중요한 진보를 이뤘습니다.

3.  SolarEdge Technologies

(SEDG )

SolarEdge Technologies는 스마트 에너지 기술 분야의 선두주자로 널리 평가받고 있습니다.  이 회사는 2023년에 태양광 부문에서 9억 4천 3백만 달러의 매출을 기록했으며, 그 중 9억 85백만 달러가 태양광 부문에서 발생했습니다.  이러한 성과는 SolarEdge가 태양광 산업에서 견고한 입지를 가지고 있음을 나타냅니다.  2023년 1분기만 해도 SolarEdge는 3.6GW(AC)의 인버터와 221MWh의 배터리를 출하하며 태양광 에너지 시장에 큰 기여를 했습니다​

주목할 만한 언급

최종 생각

광전지 기술, 특히 백컨택 마이크로미터 셀 개발을 통한 진보는 태양에너지 분야에서 잠재적인 양자 도약을 의미합니다.  이 혁신은 태양광 발전의 효율성을 높이고 비용을 낮출 뿐만 아니라 다양한 분야에서의 적용 가능성을 크게 확장합니다.  그림자 효과 감소와 소형화에 대한 집중은 태양에너지를 재생 가능 에너지 원천의 최전선으로 끌어올리는 핵심 요소입니다.

우리가 이러한 기술적 진보를 수용함에 따라, 널리 퍼진 지속 가능하고 청정한 에너지가 단순한 가능성을 넘어 현실이 되는 미래에 한 걸음 더 다가가고 있습니다.