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전기화학적 표면적 측정 기술
일산화 탄소 (CO)는 많은 금속에 대한 화학 친화력이 매우 높으며 전기화학 장치가 작동하는 전위 창에서 귀금속 촉매 표면에 흡착되는 경향이 있다. 이 방법은 금속 촉매 표면에 흡착된 CO의 산화를 이용하며 두 단계로 구성된다. 먼저, 촉매는 CO 오염에 노출되어 전극 표면에 일산화 탄소 단일층을 형성한다. 그 후, 흡착된 CO를 산화시키기 위해 비반응성 기체 분위기에서 CV 스캔을 수행하는데, 이 과정을 CO 스트리핑이라고 한다. 후자는 그림과 같이 CV 곡선에 산화 피크로 나타난다. CO 스트리핑 전하량은 CO 스트리핑 전위 범위에서 총 양극 전하량과 흡착된 CO가 없는 동일한 전위 범위에서 전달된 전하량의 차이로 정량화된다. 그림을 보면, 첫 번째 값은 빨간색 곡선의 적분값이고, 두 번째 값은 회색 곡선의 적분값이다.
전기화학적 표면적 측정 기술
CO 스트리핑 전압전류법은 이전 방법들과 동일한 가정을 일산화 탄소에 적용한다. 이 방법에 대한 주요 우려는 CO 흡착으로 인해 전극 표면 및 촉매 특성이 변할 수 있다는 점인데, 이는 ECSA를 과대평가하거나 과소평가할 수 있다. CO 스트리핑은 합금 촉매(예: Pt-Co, Pt-니켈)에 채택되며, 수소 흡착/탈착 방법이 부정확한(수소 흡착/탈착 방법에서 언급된 바와 같이 상대 오차 10% 이상) ECSA 정량화를 초래하는 응용 분야에 사용된다.
이 방법은 패러데이 기여가 없거나 무시할 수 있는 전극 전위 범위에서 촉매의 이중층 전기 용량을 측정하여 전기화학적 표면적을 추정한다. 이 절차는 전류 응답이 순수하게 전기 용량적인 전극 전위 범위 내에서 다양한 스캔 속도로 순환 전압전류법 스캔을 수행하는 것으로 구성된다. 그런 다음, 전기 용량 전류 대 스캔 속도의 플롯이 만들어지며, 순수하게 전기 용량적인 응답에서 선형인 결과 곡선의 기울기는 다음 방정식에 따라 이중층 미분 용량에 해당한다.
여기서:
마지막으로, ECSA는 를 단위 면적당 전기 용량의 기준값()으로 나누어 얻는다.
이 방법의 전제는 다음과 같다.
전기화학적 표면적 측정 기술
는 전극 전위, 표면 구조, 전해질 조성 및 농도, 실험 조건에 민감하다. 결과적으로,  값에 상당한 불일치가 문헌에 보고되어 있으며, 이는 최대 100%의 오차를 유발할 수 있어 이 방법이 정확한 ECSA 정량화에 신뢰할 수 없게 만든다. 이러한 한계에도 불구하고, 이중층 전기 용량 방법은 산화물 형성/환원 및 금속 용해/재증착 시 표면 상태 변화가 발생할 수 있는 촉매 물질의 경우에 여전히 채택된다.
이 방법은 벌크 금속 증착에 대한 네른스트 평형 전위보다 더 양의 전위에서 보다 고귀한 금속 기판 표면에 금속 단일층을 전기화학적으로 흡착시키는 것에 기반한다. 이 과정은 저전위 증착(UPD)이라고 불리며, 흡착하는 금속이 금속상에서 자신에게 갖는 친화력이 금속 기판에 흡착하는 금속의 친화력보다 낮을 때 발생한다.
실제로 UPD 방법은 이종 금속(일반적으로 구리, 납, 또는 비스무스)의 서브모노층 또는 단일층을 전극 표면에 증착한 다음, 증착된 종의 스트리핑(산화)과 관련된 전하를 측정하는 것으로 구성된다. ECSA는 UPD 스트리핑 피크를 적분하고, 완전한 단일층 덮개에 해당하는 알려진 기준 전하를 사용하여 계산된다.
이 방법의 전제는 다음과 같다.
증착된 금속과 관련된 전하를 계산하는 데 있어 주요 과제는 이중층 전기 용량 및 수소 또는 산소 흡착에 대한 정확한 보정, 그리고 금속 원자 단일층이 완전히 형성되는 전위를 식별하는 것과 관련이 있다.
UPD 방법은 수소 흡착이나 산화물 형성이 최대 상대 오차 10% 이내의 ECSA 추정치를 제공하지 못하는 전극, 예를 들어 비백금족 금속 또는 표면 화학이 변형된 합금 시스템에 채택된다.
이 방법은 을 정량화하는 방식에서 이중층 전기 용량 방법과 다르다. 여기서는 순환 전압전류법을 수행하는 대신, 이중층 전기 용량을 전기화학적 특성화의 표준 절차인 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)을 통해 측정한다. 측정된 임피던스 데이터는 이중층 전기 용량 요소, 전하 이동 저항 및 채택된 모델 종류에 따라 확산 효과에 대한 바르부르크 임피던스 등의 다른 구성 요소를 포함하는 등가 전기 회로 모델에 맞춰진다.
임피던스 기반 방법의 전제는 다음과 같다.
이 방법은 CV가 신뢰할 수 없는 결과를 초래하는 시스템의 대안이다. 그러나 그 정확성은 사용된 등가 회로 모델의 유효성과 넓은 진동수 범위에서 임피던스 데이터의 품질(EIS 측정 중 산란 및 교란 존재)에 따라 달라진다. 이러한 한계에도 불구하고 임피던스 기반 ECSA 평가는 초고용량 축전기와 배터리 분야에서 사용된다.
전기화학적 표면적 더 읽어보기
Trasatti, S.; Petrii, O. A. (1991년 1월 1일). 《Real surface area measurements in electrochemistry》. 《Pure and Applied Chemistry》 63. 711–734쪽. doi:10.1351/pac199163050711. ISSN 1365-3075.
Johnson, Andi (2025). 《Electrochemical Surface Area (ECSA) Evaluation in Electrocatalysis: Principles, Measurement Techniques, and Future Perspectives》. 《Journal of Engineering in Industrial Research》 6. 212–222쪽. doi:10.48309/jeires.2025.513554.1182.
전기화학적 표면적 더 읽어보기
Łukaszewski, M.; Soszko, M.; Czerwiński, A. (2016). 《Electrochemical Methods of Real Surface Area Determination of Noble Metal Electrodes – an Overview》. 《International Journal of Electrochemical Science》 11. 4442–4469쪽. doi:10.20964/2016.06.71.
해동신감
해동신감(海東臣鑑)은 조선 영조(英祖) 48년(1772년) 당시 왕세손(王世孫)으로 있던 산이 세자익위사(世子翊衛司) 이상일(李商逸)과 함께 편찬하여, 신라 설총(薛聰)에서부터  조선조 윤계(尹棨)까지 191인 문신의 언행과 사적을 요약, 수록한 책이다.
해동신감 개설
정조 자신의 문집인 《홍재전서》(弘齋全書)에는 이 책이 명(明)의 《역대신감》(歷代臣鑑)의 체제를 본떴다고 설명하면서 한편으로 잠곡(潛谷)이 편찬한 책(해동명신록)에서 뛰어난 사람만을 뽑은 것이라고 밝혔다.
정조는 해동신감을 편찬하게 된 이유에 대해서 "대체로 본받을 만한 선행을 한 사람들을 찬양하면, 어진 이를 본받고자 하는 이들이 기준을 삼는 데에 도움이 되기 때문이다."이라고 설명하고 있다.
《해동신감》은 세손이자 차기 국왕으로써 정조 자신의 인물에 대한 평가와 등용의 기준을 반영하고 있는 것으로 평가된다. 정조는 본국에 충의로운 신하와 간쟁하는 신하 및 뛰어난 인재, 높은 식견을 소유한 자, 고상한 인격자, 수양이 각별한 선비들을 다 세자면 이루 다 셀 수도 없지만 《송명신언행록》도 겨우 97명밖에 수록하지 않는 엄정함을 보였다며 "지금부터 억만년이 지나도록 임금을 도와 태평 시대를 이룩할 명신들이 (해동신감에 수록된) 이들의 뒤를 이어 나올 것이고 다 쓸 수 없을 만큼 그 수도 불어나게 될 것"이라는 기대로 이 책을 간행하지 않고 초고로써 두었다고 적고 있다.
해동신감 개설
정조는 계방(桂坊, 세자익위사) 이상일과 함께 밤낮으로 며칠 동안 대교(對校)를 거쳐서 책을 완성하였다. 필사 및 교정은 이상일이 수행하였으나, 실제 편차를 정하고 축약하는 것은 정조 자신이 직접 진행하였다.
해동신감 간본
《해동신감》은 한국학중앙연구원 장서각에 소장되어 있는 것이 유일본이다. 사주쌍변(四周雙邊), 10행(行), 상하향이엽화문어미(上下向二葉花紋魚尾)의 목판 인찰공책지(印札空冊紙)에 필사하였다. 표지 서명 하단에는 책차(冊次)가 ‘건(乾)·곤(坤)’으로 기재되어 있다. 건책(乾冊) 권수제면(卷首題面) 오른쪽 밑에 날인된 인장을 일부 도려낸 흔적이 있다. 정갈한 필체로 보아 출판을 위한 원고본으로 보인다.
목록 말미에 '시직 이상일 초'(侍直李商逸抄)라는 기록으로 미루어 이상일이 시직을 역임했던 영조 46년(1770년)부터 49년(1773년) 사이에 필사한 것으로 보인다. 각 책 제1면 우측 상단에 '장서각도서인'(藏書閣圖書印)이 날인되어 있다.
해동신감 내용
수록된 인물은 신라 시대부터 16세기 선조 대까지 활약한 인물들이다. 기술 형식은 《해동명신록》과 마찬가지로 이름을 적고, 이름의 하단에 자와 호, 초명, 본관을 밝힌 뒤 이력 사항으로 등과, 관력 및 봉호, 시호, 문묘 배향 등에 관련한 사항을 세주(細註) 형식으로 두 줄로 써넣고, 이어서 인물의 언행과 사적을 기록하는 방식으로 기술되었다. 서술 가운데 별도의 내용이 전개되어 전환이 필요한 부분에는 둥근 권점을 두어 내용을 구분하고 있다. 수록 인물은
건책 - 128명
해동신감 내용
설총(薛聰), 최치원(崔致遠), 최충(崔沖), 안유(安裕), 정몽주(鄭夢周), 길재(吉再), 권근(權近), 류관(柳觀), 하륜(河崙), 맹사성(孟思誠), 황희(黃喜), 허조(許稠), 노한(盧閈), 류정현(柳廷顯), 하연(河演), 윤상(尹祥), 최윤덕(崔潤德), 김반(金泮), 권홍(權弘), 윤회(尹淮), 박연(朴堧), 정인지(鄭麟趾), 정척(鄭陟), 정갑손(鄭甲孫), 박이창(朴以昌), 김종서(金宗瑞), 박팽년(朴彭年), 성삼문(成三問), 하위지(河緯地), 류성원(柳誠源), 유응부(兪應孚), 김시습(金時習), 이석형(李石亨), 기건(奇虔), 김숙자(金叔滋), 황수신(黃守身), 어효첨(魚孝瞻), 구치관(具致寬), 신석조(辛碩祖), 홍일동(洪逸童), 서거정(徐居正), 윤필상(尹弼商), 이극배(李克培), 영천군 부(永川君 溥), 이파(李坡), 손순효(孫舜孝), 성간(成侃), 윤효손(尹孝孫), 정난종(鄭蘭宗), 허종(許琮), 어유소(魚由沼), 김종직(金宗直), 어세겸(魚世謙), 어유공(魚世恭), 성현(成俔), 안침(安琛), 홍귀달(洪貴達), 채수(蔡壽), 남효온(南孝溫), 주계군 심원(朱溪君 深源), 명양정 현손(鳴陽正 賢孫), 김굉필(金宏弼), 정여창(鄭汝昌), 경연(慶延), 유호인(兪好仁), 성희안(成希顔), 신용개(申用漑), 이집(李諿), 정성근(鄭誠謹), 정붕(鄭鵬), 박영(朴英), 성세순(成世純), 안당(安塘), 정광필(鄭光弼), 조원기(趙元紀), 이목(李穆), 정희량(鄭希良), 이현보(李賢輔), 박상(朴祥), 김안국(金安國), 허굉(許硡), 조광조(趙光祖), 김정(金淨), 이정경(李延慶), 한충(韓忠), 시산정 정숙(詩山正 李正叔), 파릉군 경(巴陵君 璥), 소세영(蔡世英), 박광우(朴光佑), 이사균(李思勻), 이언적(李彦迪), 권벌(權橃), 김정국(金正國), 소세양(蘇世讓), 경세인(慶世仁), 이황(李滉), 성수침(成守琛), 서경덕(徐敬德), 백인걸(白仁傑), 이준경(李浚慶), 임권(任權), 정희등(鄭希登), 박소(朴紹), 김인후(金麟厚), 이몽규(李夢奎), 홍언필(洪彦弼), 상진(尙震), 안현(安玹), 성혼(成運), 조식(曺植), 鄭(石+廉), 심연원(沈連源), 심봉원(沈逢源), 민기(閔箕), 이탁(李鐸), 정종영(鄭宗榮), 류희춘(柳希春), 이담(李湛), 정유길(鄭惟吉), 이이(李珥), 이중호(李仲虎), 순천군 관(順天君 琯), 이항(李恒), 기대승(奇大升), 김근공(金謹恭), 김체휘(金繼輝), 박순(朴淳), 홍성민(洪聖民) 등 128명의 인물이다.
해동신감 내용
곤책 - 63명
이제신, 윤두수, 윤근수, 류성룡, 조헌, 고경명, 원호, 이정암, 성혼, 정구, 김장생, 이지함, 서기, 민순, 이지남, 김성일, 박동현, 오억령, 송상현, 이항복, 이덕형, 김여물, 박동량, 홍이상, 서성, 절신군 수곤, 김천일, 이순신, 권율, 곽재우, 이호민, 이산보, 이직언, 이귀, 황신, 이정구, 이시발, 장운익, 정화, 류행, 한준겸, 이원익, 나급, 오윤겸, 정충신, 김덕령, 이춘원, 구천군 수(晬), 김권, 이상길, 김응하, 김류, 장만, 이서, 김상용, 심현, 신익성, 정온, 임숙영, 민성휘, 홍명구, 이시직, 윤계
해동신감 내용
《해동신감》은 《해동명신록》의 서술 형식을 그대로 수용하였으며, 체제적인 면에서도 《역대신감》을 따랐다고 하면서도 《역대신감》이 선악에 따라 인물을 구분 서술한 것과 달리 《해동신감》은 선악을 따로 구분하지 않고 악한 이는 아예 수록하지 않았다. 조선 중기부터 주자의 《송명신언행록》에 영향을 받은 일련의 '국조명신언행록'류의 저술들이 편찬되는데, 이들 책들은 대부분 야사류에서 많은 자료를 취합하여 원자료를 수록하여 간략하게 신하의 약력과 그 의리, 충절을 확인하려는 정조의 입장에서는 한 인물의 일생에 대해 일정한 관점에 따라 적을 수 있는 서술체 형식을 지니고 있는 《해동명신록》의 서술 방식이 더 편리하였을 것으로 여겨진다.
《해동명신록》과 비교하여 재수록, 혹은 탈락된 인물들을 보면
해동신감 내용
등의 특징이 있는데, 미수록자들은 재수록자에 비해 반드시 학문이나 행적에 있어서 저명도가 떨어지는 것도 아니었고, 당파에 따라 특정 당색을 배제한 것도 아니었지만, 계유정난 때에 세조를 도운 신숙주, 한명회, 최항, 윤자운 등이 탈락된 것은 정조의 의도가 반영된 것으로 중종이나 명종대의 사화(士禍) 관련자로써 상대적으로 피화(被禍) 즉 사화로 인한 피해를 입은 정도가 덜했던 인물들이 제외되었다.
인물의 행적 가운데 어릴 때부터의 개인적 성장 과정, 단순한 관력과 같은 이력사항, 그리고 개인적인 측면에서 부정적인 부분 등은 대부분 생략하고 대신 충성, 도덕, 의리, 효도 등의 측면에서 크게 현창할 만한 부분만을 집중적으로 남기고 있는 점에서, 후대에 본보기가 되도록 하려는 것이 《해동신감》의 편찬 방향이었다고 할 수 있다.
로베트르 바란
로베트르 바란(폴란드어: Robert Baran, 1992년 7월 3일~)은 폴란드의 레슬링 선수이다. 2024년 하계 올림픽에 참가했다. 그는 세계 선수권 대회에서 동메달 1개, 유럽 선수권 대회에서 은메달 2개, 동메달 2개를 획득했다.
로베트르 바란 개인사
형인 라도스와프 바란 또한 폴란드 레슬링 국가대표 선수이다.
우링 에어 EV
우링 에어 EV(영어: Wuling Air EV, 중국어 간체자: 五菱晴空, 병음: Wǔlíng Qíngkōng, 직역: clear sky)는 2022년부터 SAIC-GM-우링(SGMW)에서 제조하는 배터리 전기 도시형 자동차이다. SGMW의 글로벌 소형 전기차(GSEV) 플랫폼을 기반으로 한 이 모델은 훙광 미니 EV와 나노 EV에 이어 우링 브랜드로 판매되는 세 번째 GSEV 모델이다.
우링 에어 EV 개요
에어 EV는 2022년 6월 1일 인도네시아에서 "우링 EV"로 처음 공개되었으며, 6월 3일 중국에서 데뷔했다. 인도네시아 시장용으로, 이 모델은 SGMW 모터 인도네시아의 서자와 치카랑 공장에서 중국산 반조립 키트로 조립된다. 인도네시아 모델은 8월 11일 제29회 가이킨도 인도네시아 국제 오토쇼에서 판매를 시작했다.
중국에서는 2022년 12월에 판매를 시작했으며, 차체 길이와 휠베이스가 다른 2인승 및 4인승 구성으로 제공된다.
에어 EV는 발리에서 열린 2022년 발리 G20 정상회의에 사용된 운영 차량 중 하나였다.
2022년 11월, 이 차량은 제너럴 모터스에 의해 이집트로 수입되어 2022년 유엔 기후변화 회의 기간 동안 승차 공유 차량으로 쉐보레 스파크 EV라는 이름으로 사용되었다.
인도네시아 시장 외에도 에어 EV는 2022년 12월 네팔, 2023년 7월 태국, 그리고 2023년 9월 말 브루나이에서 판매를 시작했다.
우링 에어 EV MG 코멧 EV
2023년 4월, 에어 EV의 리뱃징 버전인 MG 코멧 EV가 MG 모터에 의해 인도에서 출시되었다.
소흐라브 바흐티아리자데
소흐라브 바흐티아리자데(페르시아어: سهراب بختيارى‌زاده‎, 1973년 9월 11일 ~ )는 이란의 축구 지도자이자 전 축구 선수이다. 센터백으로 활약했으며, 에스테그랄, 풀라드, 사바 쿰, 에르주룸스포르, 에스테글랄 쿠제스탄, 그리고 이란 국가대표팀 등 여러 팀에서 뛰었다.
소흐라브 바흐티아리자데 구단 경력
그는 프로 선수 경력을 후제스탄주 클럽에서 시작한 뒤 에스테그랄로 이적하였다. 몇 시즌 후, 그는 쉬페르리그에서 프로로 뛰기로 선택했으나, 이적은 성공적이지 못했고 논란 속에 클럽을 떠났다.
이후 곧바로 에스테그랄로 복귀했으나, 출전 기회 부족으로 풀라드로 이적하였다. 한 시즌 뒤에는 사바 배터리로 옮겼으며, 알리 다에이, 모함마드 나바지 등과 함께 2004-05년 시즌 하즈피컵에서 우승을 차지해 아시아 챔피언스리그 출전권을 확보했다.
2007년 8월, 바흐티아리자데는 새로 창단된 파스 하메단으로 이적하였다. 그러나 단 한 경기만 출전했고 구단과의 갈등으로 팀을 떠나, 다음 시즌 풀라드로 이적했으나 많은 경기에 나서지 못했다. 이후 다시 사바 쿰으로 이적하였다.
바흐티아리자데는 큰 부상을 겪으면서 2010-11년 시즌 동안 많은 경기에 결장하였다.
소흐라브 바흐티아리자데 국가대표팀 경력
그는 1997년 10월, 테헤란에서 열린 1998년 FIFA 월드컵 예선 카타르와의 경기에서 이란 국가대표팀 데뷔 전을 치렀다. 그는 1998년 FIFA 월드컵 최종 명단에는 포함되지 않았지만, 2003년 자리를 잃을 때까지 국가대표팀에서 간헐적으로 선발 출전하였다. 그는 2000년 WAFF 결승전에서 마지막 골을 넣어 이란 국가대표팀이 대회를 우승하는 데 기여하였다. 2005-06년 시즌 이란 프로 리그에서의 훌륭한 활약으로, 3년 만에 국가대표팀에 재소집되었다.
그는 2006년 FIFA 월드컵에서 이란의 두 경기 중 두 경기에 출전했으며, 앙골라와의 경기에서는 선발로 출전해 이란의 유일한 골을 넣었다. FIFA 월드컵 이후 새 감독 아미르 갈레노이에에 의해 다시 국가대표팀에 소집되었지만, 출전하지 않았다. 이후 그는 국제 경기는 은퇴하고 클럽 경기만 참가하고 있다.
오스만 누르매햄매도프
오스만 아브둘바하보비치 누르매햄매도프(아제르바이잔어: Osman Abdulvahaboviç Nurməhəmmədov, 1998년 5월 21일~) 또는 오스만 아브둘바가보비치 누르마고메도프(러시아어: Осма́н Абдулвагабович Нурмагоме́дов)는 러시아 출신 아제르바이잔의 레슬링 선수이다. 2024년 하계 올림픽에 참가했으며 세계 선수권 대회에서 은메달 1개, 동메달 3개, 유럽 선수권 대회에서 은메달 1개, 동메달 2개를 획득했다.
2024년 추계 천황상
2024년 추계 천황상은 중앙경마의 G1급 중상경주 천황상의 170번째 대회이자 추계(가을) 천황상의 85번째 대회로, 2024년 10월 27일에 도쿄 경마장에서 개최되었다.
두 듀스가 타스티에라 등을 제치고 우승을 차지했다.
2024년 추계 천황상 경주 후
본 대회의 우승마 두 듀스는 당년 아리마 기념에도 출전할 예정이었으나, 오른쪽 앞다리에 파행이 발생해 출전이 취소되었다.
요르고스 쿠윰치디스
요르고스 쿠윰치디스(그리스어: Γιώργος Κουγιουμτσίδης, 2001년 10월 9일~)는 그리스의 레슬링 선수이다. 2024년 하계 올림픽에 참가했으며 세계 선수권 대회에서 금메달 1개, 유럽 선수권 대회에서 금메달 1개, 은메달 1개를 획득했다.
박막 태양 전지
박막 태양 전지(영어: Thin-film solar cell)는 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 기판 위에 하나 이상의 태양광 물질의 얇은 층(박막 또는 TF)을 증착하여 만든 태양 전지의 한 유형이다. 박막 태양 전지는 일반적으로 수 나노미터(nm)에서 수 μm 두께로, 최대 200 μm 두께인 기존의 결정질 실리콘 (c-Si) 기반 태양 전지에 사용되는 웨이퍼보다 훨씬 얇다. 박막 태양 전지는 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 (CIGS), 비정질 박막 실리콘 (a-Si, TF-Si) 등 여러 기술에 상업적으로 사용된다.
박막 태양 전지
태양 전지는 일반적으로 태양광을 흡수하는 활성층을 기반으로 소위 세대별로 분류되며, 가장 잘 확립된 1세대 태양 전지는 단결정 또는 다결정 결정질 실리콘으로 만들어진다. 이것은 현재 대부분의 태양광 발전 시스템에서 사용되는 지배적인 기술이다. 대부분의 박막 태양 전지는 비정질 실리콘 (a-Si), 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레나이드 (CIGS), 또는 비소화 갈륨 (GaAs)과 같은 잘 연구된 물질의 얇은 층을 사용하여 만든 2세대로 분류된다. 새로 개발되었거나 덜 확립된 물질로 만든 태양 전지는 3세대 또는 신흥 태양 전지로 분류된다. 여기에는 페로브스카이트, 염료감응형, 퀀텀닷, 유기 및 CZTS 박막 태양 전지와 같은 몇 가지 혁신적인 박막 기술이 포함된다.
박막 태양 전지
박막 전지는 1세대 실리콘 태양 전지에 비해 몇 가지 장점이 있는데, 얇은 구조로 인해 더 가볍고 유연하다는 점이 그러하다. 이는 건물일체형 태양광 발전 시스템에 사용하거나 창문에 적층할 수 있는 반투명, 태양광 유리 재료로 사용하기에 적합하다. 다른 상업적 응용 분야에서는 일부 세계 최대 태양광 발전소에서 견고한 박막 태양 전지판 (두 개의 유리창 사이에 끼워 넣은)을 사용한다. 또한, 박막 태양 전지에 사용되는 재료는 일반적으로 1세대 전지보다 비용 효율적인 간단하고 확장 가능한 방법으로 생산되며, 여러 경우에 온실 가스 (GHG) 배출과 같은 낮은 환경 영향을 초래한다. 박막 전지는 일반적으로 인체 독성 및 중금속 배출 측면에서 전력 생산을 위한 재생 가능 및 비재생 에너지원보다 우수한 성능을 보인다.
효율적인 빛 변환, 특히 3세대 PV 물질 중에서는 초기에 어려움을 겪었음에도 불구하고, 2023년 현재 일부 박막 태양 전지는 단일 접합 박막 GaAs 전지에서 최대 29.1%의 효율을 달성하여 표준 단일 접합 1세대 태양 전지의 최대 효율 26.1%를 초과했다. 박막 기술을 통합한 다중 접합 집광 전지는 2023년 현재 최대 47.6%의 효율을 달성했다.
여전히 많은 박막 기술은 가속 수명 시험에서 1세대 전지보다 짧은 작동 수명과 더 큰 열화율을 보이는 것으로 나타났으며, 이는 제한적인 배포에 기여했다. 전 세계적으로 박막 기술의 PV 시장 점유율은 2023년 현재 약 5%에 머무르고 있다. 그러나 박막 기술은 미국에서 훨씬 더 인기를 얻고 있으며, 2021년에는 CdTe 전지만으로 새로운 유틸리티 규모 배포의 29%를 차지했다.
박막 태양 전지 역사
박막 태양 전지에 대한 초기 연구는 1970년대에 시작되었다. 1970년, 조레스 알표로프의 이오페 연구소 팀은 최초의 비소화 갈륨 (GaAs) 태양 전지를 만들었으며, 이후 이 연구와 다른 연구로 2000년 노벨 물리학상을 수상했다. 2년 후 1972년, 칼 볼프강 보어 교수는 델라웨어 대학교에 에너지 변환 연구소 (IEC)를 설립하여 박막 태양 연구를 추진했다. 연구소는 처음에 황화 구리/황화 카드 늄 (Cu2S/CdS) 전지에 집중했으며, 1975년에는 인화 아연 (Zn3P2) 및 비정질 실리콘 (a-Si) 박막으로도 확장되었다. 1973년, IEC는 주거용 건물일체형 태양광 발전 시스템의 첫 사례인 태양열 주택 '솔라 원'을 선보였다. 다음 10년 동안 상업용 및 항공우주 응용 분야에서 박막 기술에 대한 관심이 크게 증가했으며, 여러 회사가 비정질 실리콘 박막 태양 장치 개발을 시작했다. 1980년에는 Cu2S/CdS 박막 태양 전지의 효율이 10%로 상승했으며, 1986년에는 아르코 솔라가 비정질 실리콘으로 만든 최초의 상업용 박막 태양 전지인 G-4000을 출시했다.
박막 태양 전지 역사
1990년대와 2000년대에는 박막 태양 전지의 최대 효율이 크게 증가하고 기존 박막 기술이 새로운 분야로 확장되었다. 1992년, 사우스플로리다 대학교에서 15% 이상의 효율을 가진 박막 태양 전지가 개발되었다. 불과 7년 후인 1999년, 미국 국립재생에너지연구소와 스펙트로랩은 32% 효율에 도달한 3접합 비소화 갈륨 태양 전지에 대해 협력했다. 같은 해, 키스 + 캐스카트는 4 타임스 스퀘어의 일부 창문에 투명 박막 태양 전지를 설계하여 5-7가구에 전력을 공급할 만큼의 전기를 생산했다. 2000년, BP 솔라는 박막 기술을 기반으로 한 두 가지 새로운 상업용 태양 전지를 출시했다. 2001년, 최초의 유기 박막 태양 전지가 린츠 대학교에서 개발되었다. 2005년, GaAs 태양 전지는 네이메헌 랏바우트 대학교 연구원들이 최초의 자립형 (기판 없음) 전지를 도입하면서 더욱 얇아졌다.
박막 태양 전지 역사
이 시기는 또한 전통적인 고체 물질의 이론적 효율 한계를 극복할 잠재력을 가진 새로운 3세대 태양 물질의 탐색에 있어서도 중요한 발전이 있었다. 1991년, 최초의 고효율 염료감응형 태양전지가 개발되었으며, 전지의 일반적인 고체 반도체 (활성) 층을 빛을 흡수하는 염료를 포함하는 액체 전해질 혼합물로 대체했다. 2000년대 초, 퀀텀닷 태양 전지 개발이 시작되었고, 이 기술은 2011년 국립재생에너지연구소에서 인증을 받았다. 2009년, 도쿄 대학 연구원들은 페로브스카이트를 활성층으로 사용하고 3% 이상의 효율을 달성하는 새로운 유형의 태양 전지를 보고했으며, 이는 1999년 무라세 치카오의 빛을 흡수할 수 있는 페로브스카이트 층 생성 연구를 바탕으로 한 것이다.
박막 태양 전지 역사
2010년대와 2020년대 초에는 박막 태양 기술 혁신에는 3세대 태양 기술을 새로운 응용 분야로 확장하고 생산 비용을 줄이는 노력, 그리고 2세대 및 3세대 물질 모두의 효율을 크게 향상시키는 노력이 포함되었다. 2015년, 경인합성은 산업용 프린터로 만든 유연한 태양 전지인 최초의 잉크젯 태양 전지를 출시했다. 2016년, 매사추세츠 공과대학교 (MIT) 블라디미르 불로비치의 유기 및 나노구조 전자 (ONE) 연구소는 비누방울 위에 놓일 만큼 가벼운 박막 전지를 만들었다. 2022년, 같은 그룹은 직물에 통합된 유연한 유기 박막 태양 전지를 소개했다.
박막 태양 기술은 1988년에 새로운 태양광 발전 배포의 32%로 전 세계 시장 점유율 최고치를 기록한 후 수십 년 동안 감소하여 2009년에 다시 17%로 작은 최고치를 기록했다. 이후 시장 점유율은 2021년에 전 세계적으로 5%로 꾸준히 감소했지만, 같은 해 박막 기술은 미국 전체 시장 점유율의 약 19%를 차지했으며, 유틸리티 규모 생산의 30%를 포함했다.
박막 태양 전지 작동 원리
일반적인 태양 전지에서는 광전 효과를 사용하여 햇빛으로부터 전기를 생산한다. 태양 전지의 빛 흡수 또는 "활성층"은 일반적으로 반도체 물질인데, 이는 호스트 이온 주변의 국부화된 전자의 원자가띠와 물질 전체를 자유롭게 이동할 수 있는 고에너지 전자의 전도띠 사이에 에너지 스펙트럼 틈이 있다는 것을 의미한다. 대부분의 반도체 물질의 경우 상온에서 다른 에너지원으로부터 추가 에너지를 얻지 못한 전자는 주로 원자가띠에 존재하며, 전도띠에는 전자가 거의 또는 전혀 없다. 태양 광자가 태양 전지의 반도체 활성층에 도달하면 원자가띠의 전자가 광자의 에너지를 흡수하여 여기되어 전도띠로 이동하여 물질 전체를 자유롭게 이동할 수 있다. 이때 원자가띠에는 빈 전자 상태 또는 양공이 남게 된다. 전도띠 전자와 원자가띠 양공은 함께 전자-정공 쌍이라고 불린다. 전자-정공 쌍의 전자와 양공은 모두 물질 전체를 전기처럼 자유롭게 이동할 수 있다. 그러나 전자-정공 쌍이 분리되지 않으면 전자와 양공은 해당 에너지의 광자를 방출하면서 저에너지 원래 상태로 재결합할 수 있다. 열역학적 평형 상태에서 순방향 과정(광자를 흡수하여 전자-정공 쌍을 여기시키는 것)과 역방향 과정(광자를 방출하여 전자-정공 쌍을 소멸시키는 것)은 상세 균형 원리에 의해 동일한 속도로 발생해야 한다. 따라서 반도체 물질로 태양 전지를 구성하고 여기 과정 동안 전류를 추출하려면 전자-정공 쌍의 전자와 양공이 분리되어야 한다. 이는 다양한 방법으로 달성될 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 p-n 접합을 사용하는 것이다. 여기서 양극으로 도핑된 (p형) 반도체 층과 음극으로 도핑된 (n형) 반도체 층이 만나 화학 퍼텐셜 차이를 생성하여 전자를 한 방향으로, 양공을 다른 방향으로 끌어당겨 전자-정공 쌍을 분리한다. 대신 쇼트키 접합 전지와 같이 서로 다른 일함수를 가진 금속 접점을 사용하여 이를 달성할 수도 있다.
박막 태양 전지 작동 원리
박막 태양 전지에서는 과정이 대체로 동일하지만 활성 반도체 층이 훨씬 얇게 만들어진다. 이는 사용되는 반도체 물질의 고유한 특성으로 인해 두께당 특히 많은 광자를 변환할 수 있기 때문에 가능할 수 있다. 예를 들어, 일부 박막 물질은 직접 띠틈을 가지는데, 이는 실리콘과 같은 간접 띠틈 반도체의 경우와 같이 전도띠 및 원자가띠 전자 상태가 다른 운동량이 아니라 동일한 운동량에 있다는 것을 의미한다. 직접 띠틈을 가지면 운동량의 소스 또는 싱크(일반적으로 격자 진동 또는 포논)가 필요 없어지므로 광자 흡수라는 2단계 과정이 1단계 과정으로 단순화된다. 다른 박막 물질은 태양 스펙트럼의 최고 에너지와 잘 일치하는 에너지 띠틈을 가지므로 두께당 더 많은 광자를 흡수할 수 있다. 이는 전자-정공 쌍을 여기시킬 수 있는 올바른 에너지의 태양 광자가 많이 있음을 의미한다.
박막 태양 전지 작동 원리
다른 박막 태양 전지에서는 반도체 층이 다른 빛 흡수 재료로 완전히 대체될 수 있다. 예를 들어, 염료감응형 태양전지의 경우 전해질 용액과 광활성 염료 분자, 또는 퀀텀닷 태양전지의 경우 퀀텀닷으로 대체될 수 있다.
박막 태양 전지 재료
박막 기술은 전지의 활성 물질 양을 줄인다. 활성층은 유리, 플라스틱, 금속으로 만든 견고한 기판 위에 놓일 수도 있고, 천과 같은 유연한 기판으로 전지를 만들 수도 있다. 박막 태양 전지는 결정질 실리콘 전지보다 저렴하며 생태학적 영향이 더 작다(수명 주기 분석에서 결정됨). 얇고 유연한 특성 덕분에 건물일체형 태양광 발전 시스템과 같은 응용 분야에 이상적이다. 대부분의 박막 패널은 결정질 실리콘보다 2~3% 낮은 변환 효율을 가지지만, 일부 박막 재료는 효율성 측면에서 결정질 실리콘 패널보다 우수하다. 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 및 비정질 실리콘 (a-Si)은 가장 대표적인 박막 기술 중 세 가지이다.
박막 태양 전지 재료
카드뮴 텔루라이드 (CdTe)는 주요 박막 기술인 칼코제나이드 물질이다. 전 세계 PV 생산량의 약 5%를 차지하며, 박막 시장의 절반 이상을 점유하고 있다. 전지의 실험실 효율도 최근 몇 년 동안 크게 증가하여 CIGS 박막과 동등하며 2013년 현재 다결정 실리콘의 효율에 근접하고 있다.:24–25 또한 CdTe는 모든 대량 생산 PV 기술 중 에너지 회수 시간이 가장 짧으며, 유리한 지역에서는 8개월까지 짧아질 수 있다.:31 CdTe는 지구 온난화 지수 및 중금속 배출과 같은 여러 중요한 환경 영향 요인에서 다른 박막 PV 재료보다 우수한 성능을 보인다. 대표적인 제조사는 템피 (애리조나주)에 본사를 둔 미국 회사 퍼스트 솔라로, 약 18% 효율의 CdTe 패널을 생산한다.
박막 태양 전지 재료
카드 뮴의 독성이 그다지 문제가 되지 않을 수 있고, 수명 주기 말기에 CdTe 모듈을 재활용함으로써 환경 문제가 완전히 해결될 수 있음에도 불구하고, 여전히 불확실성이 존재하며 대중의 인식은 이 기술에 대해 회의적이다. 희귀 재료의 사용 또한 CdTe 박막 기술의 산업적 확장성에 제한적인 요인이 될 수 있다. 텔루륨의 희귀성은 – 텔루라이드가 음이온 형태인 – 지구 지각의 백금과 비슷하며 모듈 비용에 크게 기여한다.
CdTe와 마찬가지로, 셀레늄화구리인듐갈륨 (CIGS) 및 그 변형은 칼코제나이드 화합물 반도체이다. CIGS 태양 전지는 23% 이상의 실험실 효율(표 참조)과 2021년 전체 PV 시장에서 0.8%의 점유율을 달성했다. 많은 기업들이 CIGS 태양 전지 및 모듈을 생산했지만, 지난 몇 년 동안 일부 기업은 생산량을 크게 줄이거나 중단했다.
현재 연구는 개별 층을 수정하거나 교체하여 제작 및 기능과 관련된 특성을 개선하는 것을 목표로 한다. 예를 들어:
박막 태양 전지 재료
태양 전지의 다른 층 개발 잠재력 외에도 흡수체 재료 CIGS는 화합물 내 인듐과 갈륨의 비율을 조절하여 띠틈을 조절할 수 있는 주목할 만한 특성을 가지고 있다. 띠틈을 조절함으로써 태양 전지에 흡수되는 태양 스펙트럼의 부분을 변경할 수 있어 CIGS 전지는 다중 접합 태양 전지의 구성 요소로 특히 흥미롭다.
또한 구리를 은으로, 셀레늄을 황으로 부분적으로 대체하여 화합물 (AgzCu1-z)(In1−xGax)(Se1−ySy)2를 얻을 수 있다. 황이 없는 화합물을 구별하기 위해 때때로 CIGSe로 약칭하며, CIGS라는 약어는 황과 셀레늄을 포함하는 화합물 모두를 지칭할 수 있다. 은을 포함하는 화합물은 때때로 ACIGS라고 불린다. CIGS 조성의 변형은 현재 연구의 대상이며 일부는 산업적으로도 제조된다.
세 가지 주요 실리콘 박막 구조가 있다.
박막 태양 전지 재료
비정질 실리콘 (a-Si)은 비결정질 실리콘의 동소체 형태이며 현재까지 가장 잘 개발된 박막 기술이다. 박막 실리콘은 기존의 웨이퍼 (또는 벌크) 결정질 실리콘의 대안이다. 칼코겐 기반 CdTe 및 CIS 박막 전지가 실험실에서 큰 성공을 거두었지만, 실리콘 기반 박막 전지에 대한 산업적 관심은 여전히 높다. 실리콘 기반 장치는 CdTe 전지의 독성 및 습도 문제와 재료 복잡성으로 인한 CIS의 낮은 제조 수율과 같은 CdTe 및 CIS 장치보다 문제가 적다. 또한, 태양 에너지 생산에 비"녹색" 재료 사용에 대한 정치적 저항으로 인해 표준 실리콘 사용에 대한 오명은 없다.
이 유형의 박막 전지는 주로 플라즈마 강화 화학 기상 증착이라는 기술로 제작된다. 이 기술은 투명 전도성 산화물 층으로 이미 코팅된 유리, 플라스틱 또는 금속과 같은 기판 위에 1마이크로미터(μm) 두께의 매우 얇은 실리콘 층을 증착하기 위해 실레인 (SiH4)과 수소의 기체 혼합물을 사용한다. 비정질 실리콘을 기판에 증착하는 데 사용되는 다른 방법으로는 스퍼터링 및 열선 화학기상증착 기술이 있다.
박막 태양 전지 재료
a-Si는 풍부하고 무독성 물질이기 때문에 태양 전지 재료로 매력적이다. 낮은 처리 온도가 필요하며, 실리콘 재료가 거의 필요 없는 유연하고 저렴한 기판 위에 확장 가능한 생산이 가능하다. 1.7eV의 띠틈으로 인해 비정질 실리콘은 적외선과 심지어 일부 자외선을 포함하는 매우 넓은 빛 스펙트럼을 흡수하며 약한 빛에서도 매우 잘 작동한다. 이로 인해 전지는 이른 아침, 늦은 오후, 흐리거나 비 오는 날에도 전력을 생산할 수 있는데, 이는 산란일사 및 간접 일광에 노출될 때 효율이 현저히 떨어지는 결정질 실리콘 전지와는 대조적이다.
그러나 a-Si 전지의 효율은 작동 첫 6개월 동안 약 10~30%의 상당한 하락을 겪는다. 이는 스테블러-브론스키 효과 (SWE)라고 불리는데, 이는 햇빛에 장기간 노출되어 광전도도 및 암전도도 변화로 인해 발생하는 전력 출력의 전형적인 손실이다. 이 열화는 150°C 이상의 온도에서 어닐링하면 완벽하게 가역적이지만, 기존의 c-Si 태양 전지는 애초에 이 효과를 나타내지 않는다.
박막 태양 전지 재료
기본적인 전자 구조는 p-i-n 접합이다. a-Si의 비정질 구조는 높은 고유 무질서와 매달린 결합을 의미하며, 이는 전하 캐리어에 대한 전도도가 좋지 않다. 이러한 매달린 결합은 재결합 중심 역할을 하여 캐리어 수명을 심각하게 단축시킨다. n-i-p 구조와 달리 p-i-n 구조가 일반적으로 사용된다. 이는 a-Si:H에서 전자의 이동도가 양공의 이동도보다 대략 1~2배 크기 때문에 n-형에서 p-형 접점으로 이동하는 전자의 수집률이 p-형에서 n-형 접점으로 이동하는 양공보다 우수하기 때문이다. 따라서 p-형 층은 빛의 강도가 더 강한 상단에 위치해야 하며, 이는 접합을 가로지르는 전하 캐리어의 대부분이 전자가 되도록 한다.
비정질 실리콘 층은 다른 동소체 형태의 실리콘 층과 결합하여 다중 접합 태양 전지를 생산할 수 있다. 두 층(두 개의 p-n 접합)만 결합될 경우 탠덤 전지라고 한다. 이 층들을 서로 쌓아 올리면 더 넓은 범위의 빛 스펙트럼이 흡수되어 전지의 전체 효율이 향상된다.
박막 태양 전지 재료
마이크로모프 실리콘에서는 미세결정질 실리콘 (μc-Si) 층이 비정질 실리콘과 결합하여 탠덤 전지를 형성한다. 상단의 a-Si 층은 가시광선을 흡수하고, 적외선 부분은 하단의 μc-Si 층으로 전달된다. 마이크로모프 적층 전지 개념은 스위스 뇌샤텔 대학교 미세기술 연구소 (IMT)에서 개척하고 특허를 받았으며, 텔 솔라에 라이선스가 부여되었다. 2014년 7월에 12.24%의 모듈 효율을 가진 마이크로모프 개념 기반의 새로운 세계 기록 PV 모듈이 독립적으로 인증되었다.
모든 층이 실리콘으로 만들어지기 때문에 PECVD를 사용하여 제조할 수 있다. a-Si의 띠틈은 1.7 eV이고 c-Si의 띠틈은 1.1 eV이다. c-Si 층은 적색 및 적외선 빛을 흡수할 수 있다. a-Si와 c-Si 사이의 전환점에서 최고의 효율을 달성할 수 있다. 나노결정질 실리콘 (nc-Si)은 c-Si와 거의 동일한 띠틈을 가지므로 nc-Si가 c-Si를 대체할 수 있다.
박막 태양 전지 재료
비정질 실리콘은 원시결정질 실리콘 (pc-Si)과 결합하여 탠덤 전지를 형성할 수도 있다. 나노결정질 실리콘의 낮은 부피 분율을 가진 원시결정질 실리콘은 높은 개방 회로 전압에 최적이다. 이러한 유형의 실리콘은 매달린 결합과 뒤틀린 결합을 나타내는데, 이는 깊은 결함(띠틈의 에너지 준위)과 원자가 및 전도띠의 변형(띠 꼬리)을 초래한다.
벌크 실리콘의 장점과 박막 소자의 장점을 융합하려는 새로운 시도는 유리 위에 증착된 박막 다결정 실리콘이다. 이 모듈은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)을 사용하여 반사 방지 코팅과 도핑된 실리콘을 텍스처 처리된 유리 기판에 증착하여 생산된다. 유리 내의 텍스처는 태양 전지에서 반사되는 입사광의 양을 줄이고 태양 전지 내부에 빛을 가둠으로써 전지의 효율을 약 3% 향상시킨다. 실리콘 필름은 400~600 섭씨 온도의 어닐링 단계를 통해 결정화되어 다결정 실리콘을 생성한다.
박막 태양 전지 재료
이러한 새로운 장치는 8%의 에너지 변환 효율과 >90%의 높은 제조 수율을 보인다. 폴리실리콘이 1~2 마이크로미터인 유리 위의 결정질 실리콘(CSG)은 안정성과 내구성으로 유명하다. 박막 기술의 사용은 또한 벌크 태양광 발전에 비해 비용 절감에 기여한다. 이러한 모듈은 투명 전도성 산화물 층의 존재를 필요로 하지 않는다. 이는 생산 공정을 두 가지 측면에서 단순화한다. 이 단계를 건너뛸 수 있을 뿐만 아니라, 이 층의 부재로 인해 접점 구성 공정이 훨씬 단순해진다. 이러한 두 가지 단순화는 생산 비용을 더욱 절감시킨다. 대체 설계에 대한 수많은 장점에도 불구하고, 단위 면적당 생산 비용 추정치는 이러한 장치가 단일 접합 비정질 박막 전지와 비용이 비슷하다는 것을 보여준다.
박막 태양 전지 재료
비소화 갈륨 (GaAs)은 III-V족 직접 띠틈 반도체이며 단결정 박막 태양 전지에 매우 흔하게 사용되는 재료이다. GaAs 태양 전지는 뛰어난 내열성과 높은 효율 덕분에 계속해서 최고 성능의 박막 태양 전지 중 하나이다. 2019년 현재, 단결정 GaAs 전지는 29.1%의 효율로 모든 단일 접합 태양 전지 중에서 가장 높은 태양 전지 효율을 보여주었다. 이 기록적인 전지는 후면에 후면 거울을 구현하여 광자 흡수를 증가시킴으로써 인상적인 단락 전류 밀도와 쇼클리-퀘이저 한계에 가까운 개방 회로 전압 값을 달성했다. 결과적으로 GaAs 태양 전지는 거의 최대 효율에 도달했지만, 빛 포집 전략을 사용하면 여전히 개선될 수 있다.
박막 태양 전지 재료
GaAs 박막은 일반적으로 기판 재료에 반도체를 에피택시얼 성장시켜 제작된다. 1978년에 처음 시연된 에피택시 리프트오프(ELO) 기술은 가장 유망하고 효과적인 것으로 입증되었다. 이 방법에서는 에피택시얼 필름과 기판 사이에 배치된 희생층을 선택적으로 에칭하여 박막층을 기판에서 벗겨낸다. GaAs 필름과 기판은 분리 과정에서 최소한의 손상만 입으며, 호스트 기판의 재사용이 가능하다. 기판의 재사용으로 제작 비용을 절감할 수 있지만, 기판은 제한된 횟수만 재사용할 수 있으므로 완전히 포기할 수는 없다. 이 과정은 여전히 상대적으로 비용이 많이 들고 있으며, 기판에 에피택시얼 필름 층을 성장시키는 더 비용 효율적인 방법을 찾기 위한 연구가 여전히 진행 중이다.
박막 태양 전지 재료
GaAs 박막 전지의 높은 성능에도 불구하고, 값비싼 재료 비용은 태양 전지 산업에서 광범위한 채택을 어렵게 한다. GaAs는 우주 태양광 발전에서 우주선용 태양 전지판을 위한 다중 접합 태양 전지에 더 흔하게 사용되는데, 이는 더 큰 전력 대 중량비가 InGaP/(In)GaAs/Ge 전지의 발사 비용을 낮추기 때문이다. 또한 집광형 태양광 발전에도 사용되는데, 이는 햇빛이 많이 드는 지역에 가장 적합한 신흥 기술로, 렌즈를 사용하여 햇빛을 훨씬 작고 따라서 덜 비싼 GaAs 집광형 태양 전지에 집중시킨다.
박막 태양 전지 재료
국립재생에너지연구소는 여러 박막 기술을 신흥 태양광 발전 기술로 분류하고 있는데, 대부분 아직 상업적으로 적용되지 않았으며 연구 또는 개발 단계에 있다. 많은 기술이 유기금속 화합물뿐만 아니라 무기 물질과 같은 유기 재료를 사용한다. 이러한 기술 중 다수가 초기 단계에서 불안정성과 낮은 효율성으로 어려움을 겪었지만, 페로브스카이트와 같은 일부 신흥 재료는 단결정 실리콘 전지에 필적하는 효율성을 달성할 수 있었다. 이러한 기술 중 다수는 단일 접합 고체 전지의 효율에 대한 쇼클리-퀘이저 한계를 뛰어넘을 잠재력을 가지고 있다. 저렴하고 고효율이며 환경 영향이 적은 태양 전지를 생산하겠다는 목표를 달성할 것을 약속하기 때문에 이러한 기술에 상당한 연구 투자가 이루어졌다.
박막 태양 전지 재료
구리 아연 주석 황화물 또는 Cu(Zn,Sn)(S,Se)2는 일반적으로 CZTS로 약칭되며, 그 파생물인 CZTSe 및 CZTSSe는 칼코제나이드(CdTe 및 CIGS/CIS와 같은) 그룹에 속하며, 때로는 케스테라이트라고 불리며, 지구에 풍부하고 무독성 원소로 구성되어 있다. CdTe 및 CIGS와 달리 CZTS는 풍부하고 무독성 원료로 만들어진다. 또한 CZTS의 띠틈은 S/Se 비율을 변경하여 조절할 수 있는데, 이는 최적의 태양 전지 공학에 바람직한 특성이다.
CZTS는 또한 높은 빛 흡수 계수를 가지지만, 현재 연구는 높은 결함 밀도 및 띠 꼬리 효과로 인한 효율 손실을 극복하는 데 중점을 둔다. 오늘날 가장 효율적인 CZTS 태양 전지는 약 12.6%의 효율에 도달했으며, 이는 CdTe 및 CIGS 전지보다 낮다. 효율을 더욱 향상시키기 위해 연구는 광학 손실이 낮은(반사율이 높은) 대체 후면 접촉과 캐리어 전송을 최적화하고 재결합 손실을 줄이는 방법을 탐구하고 있다.
박막 태양 전지 재료
다른 신흥 칼코제나이드 PV 재료로는 Sb2(S,Se)3와 같은 안티몬 기반 화합물이 있다. CZTS와 마찬가지로 이들은 조절 가능한 띠틈과 우수한 빛 흡수율을 가진다. 안티몬 기반 화합물은 또한 장치 공학에 유용할 수 있는 유사 1차원 구조를 가진다. 이러한 모든 신흥 칼코제나이드 재료는 가장 성숙하고 효율적인 박막 기술 제품군 중 하나에 속한다는 장점이 있다. 2022년 현재 CZTS 전지는 약 12.6%의 최대 효율을 달성했으며 안티몬 기반 전지는 9.9%에 도달했다.
염료감응형 전지, 또는 그레첼 전지 또는 DSPV로 알려진 이 혁신적인 전지는 일종의 인공 광합성을 수행하며, 벌크 고체 반도체나 p-n 접합이 필요 없다. 대신, 백금 또는 때로는 그래핀으로 만들어진 전기 접점으로 둘러싸여 유리로 캡슐화된 액체 전해질 용액 위에 반도체 전이 금속 산화물 나노 입자와 혼합된 광활성 염료 층을 사용하여 구성된다. 광자가 전지에 들어오면 염료 분자에 흡수되어 감광 상태가 된다. 이 상태에서 염료 분자는 전자를 반도체 전도띠에 주입할 수 있다. 그런 다음 염료 전자는 전극에 의해 보충되어 전자-정공 쌍의 재결합을 방지한다. 반도체 내의 전자는 전기 접점을 통해 전류로 흘러나온다.
염료감응형 태양 전지는 저렴하고 비용 효율적인 롤 기반 제조가 가능하기 때문에 매력적이다. 그러나 실제로는 백금 및 루테늄과 같은 값비싼 재료의 포함으로 인해 이러한 낮은 비용을 달성하기 어렵다. 염료감응형 전지는 특히 액체 전해질 때문에 안정성 및 열화 문제도 가지고 있다. 고온 환경에서는 전해질이 전지에서 누출될 수 있고 저온 환경에서는 전해질이 얼어붙을 수 있다. 이러한 문제 중 일부는 준고체 상태 전해질을 사용하여 극복할 수 있다.
2023년 현재, 염료감응형 태양 전지의 최대 실현 효율은 약 13%이다.
유기 태양 전지는 유기 반도체 폴리머를 광활성 물질로 사용한다. 이 유기 폴리머는 생산 비용이 저렴하고 높은 흡수 계수를 가진 조절 가능한 특성을 가진다. 유기 태양 전지 제조 또한 비용 효율적이며 효율적인 롤투롤 공정 기술을 활용할 수 있다. 또한 에너지 회수 시간, 지구 온난화 지수 등 광범위한 영향 요인에서 모든 PV 기술 중 가장 낮은 환경 영향 점수를 가진다.
유기 전지는 본질적으로 유연하여 다양한 응용 분야에 적합하다. 매사추세츠 공과대학교 (MIT) 유기 및 나노구조 전자 연구소 (ONE Lab)의 과학자들은 유기 PV를 유연한 직물 기판에 통합하여 500회 이상 말았다 펴도 성능 저하 없이 사용할 수 있도록 했다.
그러나 유기 태양 전지는 일반적으로 안정성이 좋지 않고 작동 수명이 짧은 경향이 있다. 또한 전자-정공 쌍에 대한 큰 결합 에너지와 같은 재료의 일부 본질적인 한계로 인해 다른 박막 전지보다 효율이 낮은 경향이 있다. 2023년 현재, 유기 태양 전지의 최대 달성 효율은 18.2%이다.
페로브스카이트는 광물학자 레프 페로프스키의 이름을 따서 명명된, 공유된 결정 구조를 가진 물질군이다. PV 응용 분야에 가장 자주 사용되는 페로브스카이트는 유기-무기 하이브리드 메틸암모늄 납 할라이드로, 넓게 조절 가능한 띠틈, 높은 흡수 계수, 전자와 양공 모두에 대한 우수한 전자 전달 특성을 포함한 여러 이점을 제공한다. 2023년 현재, 단일 접합 페로브스카이트 태양 전지는 최대 25.7%의 효율을 달성하여 단결정 실리콘에 필적한다. 페로브스카이트는 또한 결정질 실리콘, CIGS 및 기타 PV 기술과 함께 탠덤 및 다중 접합 전지에 일반적으로 사용되어 훨씬 더 높은 효율을 달성한다. 또한 광범위한 저비용 응용 분야를 제공한다.
그러나 페로브스카이트 전지는 수명이 짧은 경향이 있으며, 2016년 현재 일반적인 수명은 5년이다. 이는 주로 빛, 습기, 자외선 복사 및 고온에 노출될 때 화학적 불안정성 때문이며, 심지어 장치 작동에 영향을 미치는 구조적 전이를 겪을 수도 있다. 따라서 적절한 캡슐화가 매우 중요하다.
퀀텀닷 태양광 발전 (QDPV)은 일반적인 고체 반도체 활성층을 반도체 퀀텀닷으로 대체한다. 광활성층의 띠틈은 퀀텀닷의 크기를 변경하여 조절할 수 있다. QDPV는 다중 엑시톤 생성(MEG)이라는 과정에서 광자당 두 개 이상의 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 잠재력을 가지며, 이는 이론상 최대 변환 효율 87%를 가능하게 할 수 있지만, 2023년 현재 QDPV 전지의 최대 달성 효율은 약 18.1%이다. 이 효율은 쇼클리-퀘이저 한계를 초과하여 QDPV를 흥미로운 신흥 기술로 만든다. QDPV 전지는 또한 다른 태양 전지 유형보다 활성층 재료를 훨씬 적게 사용하여 저비용 제조 공정을 가능하게 한다.
이러한 장점에도 불구하고, 퀀텀닷 태양광 발전은 여전히 높은 결함 밀도, 안정성 문제, 높은 전하 재결합 수준과 같은 주요 과제에 직면해 있다. 또한, 퀀텀닷의 합성 및 처리에는 납과 카드뮴과 같은 독성 물질이 포함되는 경우가 많아 환경 문제가 제기된다. 현재 연구는 납이 없는 재료를 기반으로 한 친환경 퀀텀닷 개발과 안정성 및 효율성 향상을 위한 퀀텀닷 필름 처리 개선에 중점을 두고 있다.
2022년에는 창문만큼 큰 반투명 태양 전지가 보고되었고, 연구 팀원들은 2020년에 높은 투명도로 기록적인 효율을 달성했다. 또한 2022년에는 다른 연구원들이 거의 보이지 않는 79%의 기록적인 평균 가시광 투과율을 가진 태양 전지 제작을 보고했다.
박막 PV 재료는 가볍고 유연한 특성을 가지므로 건물일체형 태양광 발전 시스템 (BIPV)에 자연스럽게 적합하다. 일반적인 예로는 반투명 모듈을 창문 디자인에 통합하는 것과 견고한 박막 패널을 지붕 재료로 대체하는 것이 있다. BIPV는 태양 전지 모듈로 인한 수명 주기 환경 영향(예: 온실 가스(GHG) 배출)을 크게 줄일 수 있는데, 이는 일반적인 건축 자재를 사용하지 않음으로써 피할 수 있는 배출과 관련이 있기 때문이다.