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| ▲ 태양광 |
날씨에 관계없이 전천후로 전력을 생산할 수 있는 태양전지가 중국에서 나왔다. Aaron Turpen
쿤웨이 탕이 이끄는 중국해양대학과 원난사범대학 연구진은 태양뿐만 아니라 빗방울을 이용해서도 전기를 발전하는 태양전지를 개발했다고 발표했다.
태양전지의 효율성을 개선하기 위해 그래핀의 잠재력을 실험하는 수많은 연구가 있었다. 현재 중국의 한 연구팀은 이 놀라운 물질의 주목할 만한 특성을 이용하여 현재의 태양전지는 불가능한 비 오는 날에도 전기를 생산할 수 있는 전천후 태양전지를 개발하고 있다.
그래핀의 수많은 인상적인 특성 가운데 동선에 비해 1,000배에 이르는 놀라운 전도성이 있다. 이는 전자를 표면 위로 자유롭게 흐르도록 한다. 수용액 안에 놓이면 루이스산 염기 반응이라고 알려진 반응을 일으켜 양전자와 음전자를 결합시키는 능력이 생긴다. 이러한 특성을 응용하여 쿤웨이 탕 연구팀은 태양전지가 태양뿐만 아니라 빗방울을 이용해서도 전기를 발전할 수 있도록 연구하고 있다. 순수한 물에 비해 빗방울은 양이온과 음이온으로 나뉘는 다양한 염을 함유하고 있다. 빗방울에 포함된 염분은 보통 암모늄과 칼슘 그리고 나트륨 등으로 나뉘는데, 이는 에너지를 발생시키는 그래핀과 수분의 결합을 도와준다. 물이 그래핀과 접촉하면 양이온은 그리핀 표면의 전자와 결합된다. 물과 그래핀이 접촉하는 지점에서 이중층의 전자와 양이온이 형성되며 슈도 커패시터(pseudo capacitor)를 형성한다. 그리고 이중층 사이에서 발생하는 에너지는 전력을 발생시키기에 충분하다.
새로운 태양 전지 패널 디자인은 빗방울에서 전기를 생성하는 그래 핀의 특성을 활용
그래핀의 특성을 이용해 빗방울에서 전력을 생산하는 새로운 태양광패널
모의 빗방울을 이용한 연구실 실험에서 이러한 이론이 입증되었다. 염료감응형 태양전지는 일종의 박막태양전지로 태양 빛이 닿으면 전기를 생산하는 방식으로 작동된다. 이 실험에서 태양전지는 수백 마이크로볼트를 발전했으며 전기 변환효율은 6.5%였다. 연구진은 개선을 거치게 되면 이러한 공정을 통해 날씨에 관계없이 전력을 생산할 수 있는 전천후 태양전지를 생산하기에 충분한 효율성을 가지게 될 것이라고 확신하고 있다. 이 연구논문은 화학분야 국제학술지인 앙게반테 케미(Angewandte Chemie international Edition)에 발표되었다.
All-weather solar cell design generates electricity come rain or shine
A team led by Qunwei Tang is developing solar cells that generate electricity not only from the sun, but also raindrops. View gallery (2 images)
Numerous research efforts have already demonstrated the potential for graphene to improve the efficiency of solar cells. Now a team of researchers in China has leveraged the remarkable properties of the wonder material to develop a new all-weather solar cell design that is able to generate electricity when current solar cells can’t – when it’s raining.
Amongst graphene’s numerous impressive properties is its conductivity, which allows electrons to flow freely across its surface. When placed in an aqueous solution, this gives the material the ability to bind a pair of positively charged ions with a pair of its negatively charged electrons in what is known as a Lewis acid-base reaction. This property is exploited to remove lead ions and organic dyes from solutions and inspired a team led by Qunwei Tang to develop solar cells that generate electricity not only from the sun, but also raindrops.
Rather than being pure water, raindrops contain various salts that split into positively and negatively charged ions. When the water comes into contact with graphene, the positive ions bind with electrons on the graphene surface. At this point of contact between the water and the graphene, a double-layer of electrons and positively-charged ions forms, creating a pseudocapacitor. The difference in potential between the two layers is large enough to generate a voltage and current.
A new solar panel design leverages the properties of graphene to generate electricity from raindrops
Laboratory tests using simulated rainwater proved out this theory. A prototype dye-sensitized solar cell to which a thin film of graphene was applied, was tested with slightly salty water simulating rain. It managed to generate hundreds of microvolts and achieve a solar to electricity conversion efficiency of 6.5 percent. The researchers believe that with further refinement, the process could become efficient enough to produce all-weather solar cells that can generate electricity, whatever the weather.
The team’s paper appears in Angewandte Chemie International Edition.
Source: Wiley