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UCLA 내 캘리포니아 나노시스템 연구소(California NanoSystems Institute) 연구진은 카페인이 실리콘 기반의 태양전지를 대체할 잠재력을 가진 회티탄석(perovskite) 태양전지의 열적 안정성을 향상시킨다는 사실을 발견했다. 지난 몇 년 동안, 회티탄석 태양전지는 현행 실리콘 태양전지보다 생산비용이 적게 들고 에너지 효율이 더 높은 잠재력을 가지고 있기 때문에 태양 에너지의 미래로 여겨져 왔다. 회티탄석 태양전지에 대한 연구는 2010년대 초까지만 거슬러 올라가지만 이미 40년 이상 연구해 온 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 보이고 있다. 그러나 태양광에서 나오는 지속적인 열을 견디지 못하는 이유 등으로 회티탄석 태양전지를 아직 상업적으로 이용하지 못하고 있다. 연구진은 태양전지는 태양광에 지속적으로 노출되기 때문에 고도의 열적 안정성이 필요하다면서 회티탄석은 태양전지에 좋은 재료이긴 하지만 시간이 지남에 따라 열화되고 안정성이 떨어진다고 밝혔다. 따라서 현행 태양전지처럼 20~30년 견딜 수 있도록 만들어야 한다고 덧붙였다. 회티탄석 태양전지가 이 이름을 얻게 된 것은 광물 회티탄석을 함유하고 있기 때문이 아니라 결정구조가 회티탄석의 분자구조를 모방하고 있기 때문이다. 회티탄석 태양전지는 메틸암모늄(methylammonium), 납, 요오드 같은 저렴한 물질로 만들어진 초박막을 포함하고 있는데 이 물질들의 결합이 그 결정구조를 만드는 것이다. 그리고 이 구조가 광자를 전기로 변환하는데 매우 효과적이다. 회티탄석 태양전지의 열적 불안정성에 대한 해결책으로 카페인을 적용해 보려는 시도는 카페인의 화학적 구조 때문인데 비등점이 300도 씨로 태양전지의 작동온도보다 높다. 연구팀은 카페인이 태양전지의 열적 안정성을 향상시키는지 시험하기 위해 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 메틸암모늄 요오드화물(methylammonium iodide)과 납요오드화물(lead iodide)을 혼합해 액상용액을 만든 뒤 카페인을 첨가한 뒤 인듐 주석 산화물(indium tin oxide) 유리 위에 용액을 부어 회티탄석 검은 층을 형성함으로써 맞춤형 회티탄석 필름을 만들었다. 연구진은 새 필름을 태양전지와 통합해 섭씨 85도 씨까지 가열된 접시 위에 올려 고온에 견딜 수 있는 능력을 시험했다. 두 달 동안 4일마다 에너지 출력을 측정한 결과, 이 장치는 약 55일 동안 열적 안정성을 유지하면서도 전력 변환효율이 86%에 달한다는 사실을 사실을 확인했다. 비교를 위해 연구진은 카페인이 안들어간 회티탄석 태양전지도 실험했는데 약 7일 후 전력 변환효율은 60%에 불과했다. 연구진은 카페인의 화학구조 부분이 납 이온과 매우 강한 결합을 형성하고 결정체를 안정시키는 역할을 한다면서 카페인과 납 사이의 분자 잠금(molecular lock)도 회티탄석 결정의 성장을 둔화시켜 전하 전달에 유익한 방향으로 정렬할 수 있게 한다고 밝혔다. 카페인 분자에 의해 생성된 분자 잠금 효과에 대한 이해로 연구진은 이제 카페인이 아닌 다른 화학물질도 열적 안정성을 향상시키는 유사한 효과를 낼 수 있는지 여부를 연구할 수 있게 되었다. 이 연구는 미 공군 과학연구국, 해군 연구국, 캘리포니아대학 태양기술연구소, 중국 자연과학재단, Suzhou 나노과학기술 협력혁신센터, Jiangsu 고등교육기관 우선순위 학술프로그램 및 Jinzhou Solargiga 에너지 등의 지원을 받아 수행되었다. 연구결과는 2019년 4월 26일 학술지 Joule지를 통해 발표되었다. |
