초박형 유기 태양전지는 건물을 발전기로 바꿀 수 있다

2021년 11월, 독일 마르부르크 시 전력회사가 온수 저장 시설에 대한 예정된 유지보수를 수행하는 동안 엔지니어들은 10m 높이의 주 원통형 탱크 외부에 18개의 태양광 패널을 접착했습니다. 이곳은 태양광 패널을 위한 전형적인 집이 아니며, 대부분은 옥상이나 태양광 공원에 배열된 평평하고 단단한 실리콘 및 유리 직사각형입니다. 이와 대조적으로 Marburg 시설의 패널은 독일 태양광 회사인 Heliatek에서 만든 초박형 유기 필름입니다. 지난 몇 년 동안 Heliatek은 사무실 타워의 측면, 버스 정류장의 곡선 지붕, 심지어 80미터 높이 풍차의 원통형 샤프트에도 유연한 패널을 장착했습니다. 목표는 평지 너머로 태양광 발전의 범위를 확대하는 것입니다. Heliatek의 최고 기술 책임자인 Jan Birnstock은 “전통적인 태양광 발전이 작동하지 않는 거대한 시장이 있습니다.”라고 말합니다.

Heliatek의 OPV(유기 광전지)는 실리콘 패널보다 10배 이상 가볍고 어떤 경우에는 생산 비용이 절반에 불과합니다. 일부는 심지어 투명하여 건축가가 옥상뿐만 아니라 건물 정면, 창문, 심지어 실내 공간에도 태양광 패널을 통합하는 것을 구상하고 있습니다. "우리는 모든 건물을 전기를 생산하는 건물로 바꾸고 싶습니다"라고 Birnstock은 말합니다.

Heliatek의 패널은 실제로 사용되는 몇 안 되는 OPV 중 하나이며 햇빛 에너지의 약 9%를 전기로 변환합니다. 그러나 최근 몇 년 동안 전 세계 연구자들은 작은 실험실에서 만든 프로토타입에서 거의 20%의 효율성에 도달하여 실리콘 및 대체 무기 박막 태양 전지(예: 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄(CIGS)을 혼합합니다. 연구자들이 자연이 제공하는 몇 가지 화학적 옵션으로 대부분 제한되어 있는 실리콘 결정 및 CIGS와는 달리, OPV를 사용하면 결합을 조정하고 원자를 재배열하며 주기율표 전체의 원소를 혼합할 수 있습니다. 이러한 변화는 화학자가 햇빛을 흡수하고, 전하를 전도하고, 분해에 저항하는 재료의 능력을 향상시키기 위해 조정할 수 있음을 나타냅니다. OPV는 여전히 이러한 조치가 부족합니다. 그러나 미시간 대학 앤아버 캠퍼스의 OPV 화학자 스티븐 포레스트(Stephen Forrest)는 “탐사할 여지가 엄청나게 많다”고 말했다.

실험실에서 제작한 OPV가 유망해 보이더라도 전체 크기 패널을 만들기 위해 이를 확장하는 것은 여전히 ​​어려운 일이지만 잠재력은 엄청납니다. 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 OPV 전문가인 Bryon Larson은 "이 분야는 성능, 안정성 및 비용 측면에서 큰 도약을 이루었기 때문에 지금은 OPV 분야에서 정말 흥미로운 시기입니다."라고 말했습니다.

주로 실리콘을 기반으로 하는 기존 태양광 발전은 이미 지구상 전체 전기의 약 3%를 공급하는 친환경 에너지로 성공을 거두었습니다. 이는 그리드에 추가되는 가장 큰 새로운 전력원으로, 매년 200기가와트 이상이 온라인으로 공급되어 1억 5천만 가구에 전력을 공급할 수 있습니다. 수십 년간의 엔지니어링 개선과 글로벌 공급망을 바탕으로 가격이 계속 하락하고 있습니다.

그러나 태양광 및 기타 녹색 에너지원은 증가하는 수요를 충족하고 치명적인 기후 변화를 예방할 만큼 빠르게 성장하지 못하고 있습니다. 세계 경제 발전, 인구 증가, 세계 자동차와 트럭의 대부분이 석유에서 전기로 전환되는 과정에서 2050년까지 세계 전력 수요는 두 배로 증가할 것으로 예상됩니다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency)의 최근 추정에 따르면, 2050년까지 전 세계 탄소 제로 배출을 달성하려면 국가는 현재 속도의 4배에 달하는 재생 에너지를 설치해야 하며, 이는 기관이 "엄청난" 과제라고 부르는 것입니다. 세계는 새로운 재생 가능 전력원을 빠르게 필요로 합니다.

OPV 옹호자들은 이 기술이 대부분의 용도에서 기존 실리콘 패널을 대체할 것으로 보지 않습니다. 오히려 그들은 새로운 응용 분야의 물결을 안내하고 궁극적으로 실리콘 패널이 작동하지 않는 곳에 태양열을 배치하는 데 도움이 된다고 봅니다. 이 분야는 1986년 Eastman Kodak Company의 플라스틱 필름 전문가가 최초의 OPV를 생산하면서 시작되었습니다. OPV는 햇빛의 에너지를 전기로 변환하는 데 효율이 1%에 불과했습니다. 그러나 2000년대 초반에는 화학적 조절 장치를 조작하면서 OPV 효율이 최대 약 5%까지 올라갔고, 이는 여러 회사에서 상용화를 시도하기에 충분했습니다. 그들의 희망은 신문 인쇄기와 같은 롤투롤 기계의 인쇄 패널이 단점에도 불구하고 유용할 만큼 저렴하게 장치를 만드는 것이었습니다. 그러나 끊임없는 햇빛 아래서의 열악한 효율성과 성능 저하로 인해 초기 모델은 파멸을 맞았습니다. "흥분은 있었지만 아직은 너무 이르다"고 Larson은 말했습니다.