에너지 효율 태양광 발전 신재생에너지 쇼클리-퀴서 한계 청색광 변환

태양광 발전의 한계 극복 가능성 열렸다

태양광 에너지는 환경 친화적이고 무한한 자원으로 주목받고 있지만, 그동안 효율성에서 한계가 있었다. 태양에서 지구로 도달하는 에너지의 약 33%만이 전기로 변환될 수 있으며, 상용 태양광 패널은 이보다 훨씬 낮은 효율성을 보였다. 이 한계를 쇼클리-퀴서 한계(Shockley-Queisser limit)라고 하는데, 1961년 두 물리학자가 제시한 이론이다.

이 한계는 열역학 법칙에 따라 설명된다. 태양광은 무지개 spectrum의 다양한 파장으로 구성되어 있지만, 전기로 변환할 수 있는 영역은 매우 좁다. 나머지 에너지는 패널을 통과하거나 열로 소멸된다. 하지만 이제 일본과 독일 연구진이 이 한계를 뛰어넘는 breakthrough 기술을 개발했다고 Journal of the American Chemical Society에 발표했다.

청색광을 활용한 130% 효율 달성

연구팀은 특정 화합물을 고에너지 청색광(보통 전기로 변환되지 않는 영역)으로 자극했을 때, 들어오는 에너지를 두 개의 usable energy로 분할할 수 있음을 발견했다. 이 방법으로 130%의 양자 효율성을 달성했는데, 이는 들어오는 100개의 광자당 130개의 usable energy carrier를 얻을 수 있음을 의미한다.

이 breakthrough를 위해 연구팀은 유기 분자 테트라센(tetracene)과 금속 원소 몰리브데넘(molybdenum)을 혼합했다. 테트라센은 과거에도 고에너지 청색광을 활용하는 데 사용되었지만, 지속적인 에너지 변환에 어려움이 있었다. 몰리브데넘을 추가하면서 이 문제가 해결되었다고 연구팀은 설명했다.

“우리는 쇼클리-퀴서 한계를 돌파하기 위한 두 가지 주요 전략을 연구하고 있습니다. 하나는 저에너지 적외선 광자를 고에너지 가시광 광자로 변환하는 것이고, 다른 하나는 싱글릿 피전(singlet fission)을 통해 단일 광자에서 두 개의 엑시톤을 생성하는 것입니다.”

요이치 사사키(Yoichi Sasaki), 규슈 대학 화학자, 공동 연구자

실제 상용화까지는 아직 갈 길이 멀다

현재 상용 태양광 패널의 효율성은 약 25% 수준에 머물러 있다. 연구팀의 breakthrough는 실내 실험에 그치며, 상용화까지는 상당한 시간이 소요될 것으로 예상된다. 그럼에도 불구하고, 60년 넘게 유지되던 이론적 한계를 처음으로 깬 만큼 큰 의미를 지닌다.

연구팀은 “이 기술이 상용화되기까지는 여러 과제가 남아 있지만, 이론적 한계를 돌파했다는 점에서 큰 의미가 있다”고 밝혔다. 향후 이 기술이 실용화된다면 태양광 발전의 효율성을 획기적으로 높일 수 있을 것으로 기대된다.

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출처: Futurism
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