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지 구 는 태양 에서 1 억 5000 만 킬로미터 떨 어 진 곳 에서 태양의 거대 한 에너지 수출 의 10 억 분 의 1 만 받는다.그러나 이 작은 부분 인 약 12 만 조 와트 라 도 한 시간 동안 지구 에 가 져 온 에 너 지 는 인류 가 일년 내 내 소모 하 는 에 너 지 를 초과 했다.
간단하게 말하자면 신 흥 광 볼트 기술 은 염료 민 화 태양 전 지 를 바탕 으로 유기 화합물,칼슘 티타늄 재료 와 양자 점 이 과학 출판사 에서 광범 위 한 보 도 를 받 았 다.이런 유형의 태양 전지 가 초점 이 된 이 유 는 전통 적 인 실리콘 태양 전지 보다 저렴 하고 더 많은 응용 에 적합 하기 때문이다. 후 자 는 현재 태양 전지 시장의 90% 정 도 를 차지 하고 있다.이런 신 흥 기술 중 어떤 것
이 시장 으로 향 하고 있 는 지, 어떤 기술 도전 이 다른 기술 을 방해 하고 있 는 지 계속 읽 어 보 세 요.
몇 십 년 동안 태양 이 방출 한 대량의 자유 와 탄 소 를 함유 하지 않 은 에 너 지 는 과학자 들 로 하여 금 태양 광 설비 인 태양 전 지 를 개발 하여 햇빛 을 포착 하고 이 를 직접 전기 에너지 로 전환 시 켰 다.현재 재생 가능 에너지 에 대한 추진력 이 커지 면서 태양 광 발전 업 계 는 전 세계 적 으로 태양 광 부품 을 제조 하고 설치 하 며 수량 을 기록 하고 있다.
이 태양 전지 판 들 의 절대 다수 인 약 90%는 실리콘 에 기초 한 것 이다.그러나 실리콘 광 볼트 는 성숙 한 기술 이기 때문에 과학 신문 에 자주 등장 하 는 광 볼트 이야기 의 주제 가 되 지 않 는 다.반면 몇 년 동안 스포트라이트 는 신 흥 광 볼트 기술 에 초점 을 맞 춰 왔 고 이런 기술 들 은 R & D 가 학계 와 산업 계 에서 의 큰 노력 을 불 러 일 으 키 고 있다.
이러한 발전 중인 기술 은 염료 민 화 태양 전지, 유기 광 볼트, 칼슘 티타늄 광 볼트 와 무기 양자 점 태양 전 지 를 포함 하여 록 스타 의 지 위 를 누리 고 있다.전통 적 인 실리콘 태양 전지 에 비해 신 흥 실리콘 태양 전 지 는 더 싸 고 얇 으 며 유연 하 며 각종 조명 조건 에 적응 할 수 있 기 때문에 지붕 과 태양 광 농장 패 널 이외 의 대량의 응용 인 실리콘 관할 구역 에 적합 하 다.
그러나 이런 신 흥 광 볼트 기술 은 현재 어떤 위치 에 있 습 니까?그들 은 대학의 연구실 에 제한 되 어 있 습 니까?그것들 은 과학 기술 부화기 와 초창기 회사 에서 개발 한 것 입 니까?
다음 몇 페이지 에서 C & EN 은 이러한 질문 에 대답 하기 위해 상세 한 목록 이 아니 라 몇 가지 예 를 들 었 다. 이 는 이러한 기술 을 상업 화 하 는 데 주력 하 는 수 십 개의 회사 와 제품 을 시장 에 내 놓 을 때 직면 하 는 기술 도전 을 포함한다.
오늘날 실리콘 을 주도 하 는 태양 광 시장 은 태양 광 발전의 성장 속도 와 현대 전지 판 의 발 전량 을 보 여 주 는 통계 데이터 로 가득 차 있다.
예 를 들 어 보스턴 에 본 사 를 두 고 있 는 Energy Sage 의 통신 매니저 닉 리 베 라 티 는 2015 년 미국 가정 에 설 치 된 태양 전지 판 은 이들 가정 에 전 기 를 공급 하 는 데 필요 한 85% 의 전력 을 생산 했다 고 말 했다. 이 회 사 는 에너지 부가 지원 해 잠재 적 인 태양 광 고객 과 설치 회사 에 다 리 를 놓 았 다.
태양 에너지 의 빠 른 성장 은 끊임없이 증가 하 는 전 세계 에너지 수요 에 대응 하기 위해 수 십 년 간 지 속 될 것 으로 예상 된다.지난해 발 표 된 보고서 에서 에너지 정보 관리 국 (EIA) 은 앞으로 25 년 간 태양 광 과 풍력 등 재생 에너지 가 미국 에 약 50% 의 신 에너지 생산 능력 을 제공 할 것 이 라 고 예측 했다.
태양 에너지 의 발전 이 빠 르 고 전망 이 밝 지만 현재 광 볼트 발전 으로 인 한 총 전력 점유 율 은 매우 적다.EIA 는 2015 년 태양 광 은 미국 전체 발 전량 의 0.6%에 불 과 했 고 석탄 과 가스 는 각각 총 발 전량 의 33%를 공 급 했 으 며 나머지 부분 은 원자력,수력,기타 재생 에너지 에서 주로 풍력 발전 으로 추정 했다.
태양 에너지 가 강하 게 증가 하 는 주요 원인 중 하 나 는 실리콘 광 볼트 배터리 가격 의 하락 이다.그러나 지지자 들 은 신 흥 광 볼트 기술 이 더 저렴 해 질 것 이 라 고 말한다.
전통 적 인 실리콘 배 터 리 는 순도 가 높 은 실리콘 이 필요 하 다. 순 도 는 약 99.999% 이 고 배 터 리 는 에너지 가 높 은 수정체 의 성장 과 부 드 러 운 퇴적 방법 으로 만 든 것 이다.태양 광 선봉 장 은"실리콘 태양 전지 에 사용 되 는 광 흡수 재 료 는 염료 인 민 화 태양 전지 와 칼슘 티타늄 전지 보다 1000 배 많다"고 비용 을 더 늘 렸 다 고 말 했다.Michael Grtzel,로
잔 스위스 연방 이 공 대학의 화학 교수.
실리콘 은 햇빛 을 강하 게 흡수 하지 않 기 때문에 실리콘 배 터 리 는 상대 적 으로 두 꺼 운 실리콘 층 을 함유 하고 있어 실리콘 층 이 깨 지기 쉬 우 므 로 단단 하고 무 거 운 유리 조각 에 지탱 해 야 하기 때문에 원 가 를 증가 시 키 고 응용 을 제한 했다.
이에 비해 신 흥 광 볼트 배 터 리 는 유기 중합 체, 소 분자, 각종 무기 화합물 을 포함 한 각종 저렴 한 재료 로 만 들 어 졌 다.실리콘 배터리 와 달리 신 흥 배 터 리 는 플라스틱 제조 에서 흔히 볼 수 있 는 저렴 한 액상 기술, 예 를 들 어 고속 볼 륨 인쇄, 유연성 지지물 에서 제조 할 수 있다.
신 흥 광 볼트 배터리 가격 이 저렴 한 관건 적 인 요 소 는 고속 공정 을 통 해 필름 모듈 을 생산 하 는 능력 이다.
역사적 으로 신 흥 광 볼트 배터리 의 저렴 한 가격 은 훨씬 낮은 성능 과 밀접 한 관 계 를 가진다.에너지 전환 효율 (광 에너지 입력 과 전기 에너지 수출 의 비율) 의 경우 염료 민감 화 태양 전지, 유기 광 볼트 배터리 와 양자 점 배터리 의 출발점 은 몇% 포인트 에 불과 해 수년 동안 현재 의 12% 안팎 으로 천천히 상승 해 왔 다.실리콘 전지의 가 치 는 20 - 25% 범위 내 에서 훨씬 높다.
예 를 들 어 국가 재생 에너지 실험실 (NREL) 은 국제 적 으로 태양전지 연구 의 효율 기록 으로 여 겨 져 현재 성능 이 가장 좋 은 폴리 실리콘 전지의 효율 이 21% 에 불과 하 다.가격 이 더 비 싸 고 흔 하지 않 은 단결정 실리콘 배터리 의 기록 은 25%이다.
최첨단 갈륨 비소 태양 전 지 는 46% 에 달 하 는 효율 로 NREL 상위 권 에 올 랐 다.그러나 이 배 터 리 는 고도 로 전문 화 된 광 볼트 연구 설비 로 가격 이 만만 치 않다.
대부분의 다른 신 흥 광 볼트 기술 의 효율 은 실리콘 보다 훨씬 낮 지만, 배 터 리 는 곧 실리콘 으로 하여 금 돈 을 벌 게 할 것 이다.NREL 에 따 르 면 현재 칼슘 티타늄 광 볼트 기록 보유 자 증가 율 은 22%에 불과 하 다.그러나 다음 과 같이 칼슘 티타늄 배터리 의 대규모 상업 화 에 대한 기술적 도전 을 극복 해 야 한다.다른 신 흥 광 볼트 기술 에 대해 많은 회사 들 이 이런 설비 의 저렴
한 가격 을 걸 면 고객 에 게 충분 한 수익 을 제공 하여 비효 율 을 상쇄 할 것 이다.
성모 대 는 이런 신 흥 태양 광 기술 을 되 돌아 보 며 "나 는 지금 그 어느 때 보다 낙관적" 이 라 고 밝 혔 다.Prashant 는 Kamat 가 1970 년대 이후 이 분야 에서 활약 해 왔 다 고 호소 했다.그 는 신 흥 기술 이 실리콘 배 터 리 를 대체 하 는 광 볼트 블록 버스터 가 되 지 는 않 더 라 도"분기 기술 과 이기 응용 을 가 져 올 수 있다"고 강조 했다.
(1) 염료 민감 화 태양 전지
최고 전환 효율: 11.9%
염료 민감 화 태양 전지: 그것들 은 어떻게 일 합 니까?
염료 가 태양 전 지 를 민감 하 게 하 는 투명 전극 이 투과 하 는 빛 은 일종 의 염료 (빨간색) 에 흡수 되 는데 이 염 료 는 이산 화 티타늄 에 2 나 노 입자 (회색) 를 덮는다.이 과정 은 전자-공 혈 대(예 를 들 어–/h+)를 형성한다.전 자 는 이산 화 티타늄 2 를 통과 하여 공 혈 이 전해질(파란색)을 통과 하여 다른 전극 에 도달 할 때 한 전극 으로 층 을 올 려 전 류 를 발생 시킨다.
1990 년대 초 로 잔 스위스 연방 이 공 대학의 마 이 클 게 젤 화학 교수 와 그의 동료 브 라 이언 올 리 건 은 저렴 하고 생산 하기 쉬 운 설 비 를 통 해 햇빛 에서 상당 한 전 기 를 생산 할 수 있다 는 것 을 증명 했다.이들 의 작업 은 염료 민 화 태양전지 (DSSC) 연구 의 물결 을 일 으 켰 고 몇몇 초창기 회사 의 설립 을 초래 했다.
모든 광 볼트 부품 은 일련의 광 흡수, 전자 자극 과 전하 분리 사건 을 통 해 발전 한다.기 존 태양전지 와 달리 이 사건 들 은 단층 실리콘 에서,DSSCs 에 서 는 별도의 분자 층 에서 발생 했다.
DSSCs 는 무질서 한 이산 화 티타늄 나 노 입자 의 다 공 네트워크 를 특징 으로 하 는데,이 나 노 입자 들 은 집광 염료 분 자 를 발 라 액체 전해질 에 둘러싸 여 있다.물감 인 루테늄 화합물 인 포 획 된 광자 산 은 음전 하 를 가 진 전자 와 양전 하 를 가 진 전자 빈 자 리 를 만들어 구멍 이 라 고 한다.전 하 는 나 노 입자 표면 에서 분리 된다. 전 자 는 이산 화 티타늄 에 주입 되 고
이산 화 티타늄 을 통 해 2 층 에서 하나의 전극 으로 전송 되 며 양전 하 는 전해질 을 통 해 배터리 의 다른 쪽으로 이동한다.
초기 DSSC 연구 후 몇 년 동안 몇몇 회 사 는 광 볼트 업무 에 발 을 들 여 놓 기 시작 했다.DSSCs 의 효율 은 실리콘 전지 보다 훨씬 낮다.지금도 그렇다.그러나 이들 의 낮은 원가, 낮은 무게, 유연성, 얇 은 정도 와 투과 능력 의 결합 은 DSSCs 가 실리콘 이 도달 할 수 없 는 응용 에 사용 할 수 있다 는 것 을 의미한다.
인기 있 는 응용 프로그램 은 건축 집적 광 볼트 이다.태양 전지 판 은 지붕 뿐만 아니 라 지붕 도 실리콘 전지 판 의 최 우선 위치 로 햇빛 이 직사 하 는 가운데 가장 잘 작 동 하기 때문이다.그러나 DSSC 패 널 은 빛 에 잘 작 동 합 니 다.따라서 반투명 DSSCs 박편 은 유리창 사이 에 끼 워 일반 창문 과 천장, 유리 입 면 을 발전기 로 만 들 수 있다.
몇몇 회사 들 이 DSSC 기술 을 상업 화하 고 있 는데 한국 의 근동 Semichem 을 포함한다.이 회사 의 규 순 신 부회장 겸 최고 기술 관 에 따 르 면 2012 년 이후 이 회 사 는 유리 기 DSSC 모듈 의 자동 중간 시험 생산 라인 을 '건설, 조정, 운영' 해 왔 다.그것 은 현재 매년 수만 개의 모듈 을 생산 할 능력 이 있다.
신 은 패 널 의 에너지 절약 흡인력 을 제외 하고 그들의 미학 도 건축 가,건축 자재 회사 와 창문 제조 업 체 를 끌 어 들 였 다 고 강조 했다.신 씨 는 현재 이 회사 의 패 널 을 한국 의 세 시범 점 에서 찾 을 수 있다 고 말 했다.그 는 2016 년 상반기 에 두 개 를 더 설치 할 계획 이 라 고 덧 붙 였 다.
DSSCs 는 소형 전자기 기 에 도 전 기 를 공급한다.대량의 관심 을 받 는 응용 은 이른바 사물 인터넷 이다.이것 은 전기,차량 과 다른 물체 로 구 성 된 네트워크 를 말한다.이런 물 체 는 센서 와 다른 전자 장 비 를 설치 하여 데 이 터 를 수집 하고 전송 할 수 있 도록 하 는 것 을 말한다.
이 전자 장 비 는 하 드 연결선 이나 교체 또는 충전 이 필요 한 배터리 로 전 기 를 공급 하 는 것 이 아니 라 지속 적 으로 전 기 를 공급 해 야 하 며, 회 사 는 소형 DSSC 패 널 을 제공 할 준 비 를 하고 있다.실내 광선 을 이용 해 발전 하 는 능력 으로 는 실리콘 으로 만 든 설비 보다 우수 하 다.
웨 일 스 신 항 에 있 는 G24 파워 는 유사 애플 리 케 이 션 을 위해 DSSC 패 널 을 만 들 고 있다.이 회 사 는 오늘 DSSC 를 지원 하 는 블 루 투 스 무선 키 보드 를 포함 한 많은 제품 G Cell 을 상품 명 으로 판매한다.
앞으로 몇 개 월 동안 GCell 은 DSSC 가 전 기 를 공급 하 는 비 컨 방송 블 루 투 스 신 호 를 발송 할 계획 이다.이 장 비 는 휴대 전화 통신 을 통 해 경기 당일 참가 자 들 을 경기장 입구 에서 표 가 있 는 좌석 으로 안내 하 는 등 여러 가지 측면 에 사용 할 수 있다.
1990 년대 초기의 창의 적 인 보고서 가 발 표 된 지 얼마 되 지 않 아 회 사 는 DSSCs 개발 에 주력 해 왔 지만 연구원 들 은 계속 개선 하려 고 노력 하고 있다.초기 에 설 계 된 단점 중 하 나 는 액체 전해질 로 통상 적 으로 요오드 화물 / 요오드 화물 (I – / I3 –) 의 산화 환원 이 부식 성, 휘발 성 을 가지 고 누 출 되 기 쉽다 는 것 이다.또한 염료 와 반응 할 수 있어 장기
적 안정성 을 제한한다.
설 계 를 개선 하기 위해 노 스 웨 스 턴 대학의 연구원 들 은 액체 전해질 대신 신형 반도체 무기 고 체 를 사용 했다.불소 요오드 화 세슘 석(CsSnI 2.95F 0.05)을 섞 었 다.팀 은 2012 년 이 고체 가 부식 과 반응 성 문 제 를 피 했 고 배터리 의 전환 효율 이 약 10%라 고 보고 했다.
다른 잠재 적 인 DSSC 개선 은 새로운 염료 와 산화 환원 쌍 에서 나온다.예 를 들 어 Gr ä tzel 의 팀 은 a 아연 포 르 피 린 을 배합 하여 코발트 (나 / 8562) 피리딘 전해질 로 염색 하 는 효율 이 일반 루테늄 - 요오드 화물 체 계 를 초과 한 것 을 발견 했다.
모든 첨단 기술 회사 들 처럼 태양 전지 제조 업 체 들 은 제품 개선 전략의 관건 적 인 세부 사항 에 대해 침묵 을 지 켰 다.그러나 이들 은 제조 과정 에서 실험실 발견 을 실시 하 는 데 보통 수년 이 걸린다 고 공개 적 으로 인정 했다.
(2) 유기 광 볼트
최고 전환 효율: 11.5%
유기 태양 전지: 그들 은 어떻게 일 합 니까?
유기 태양 전지 에 비 친 빛 은 투명 층 을 통과 하고 전자 구멍 대 (예 를 들 어 – / h +) 를 자극 하여 광 활성 층 에서 (확 대 된 구역 은 체 이질 결).전기 전도 중합 체(분홍색,전자 공급 체)와 풀 러 렌(노란색,전자 수용체)사이 의 인터페이스 에 도 착 했 을 때 이 한 쌍 은 분열 되 었 다.양전하 가 나 노 사이즈 의 중합 체 구역 을 통 해 하나의 전극 으로 도약 하고 음전 하 는 풀
러 렌 을 통 해 다른 전극 으로 이동 하여 전 류 를 발생 시킨다.
유기 광 볼트 장 비 는 광 민 중합 체 나 소 분자 와 플 러 렌 화합물 의 혼합물 에 의 해 빛 을 흡수 하고 발전 사건 을 가동 한다.이 화합물 들 은 보통 덩어리 형 이질 결 이 라 고 불 리 는 나 노 급 네트워크 에 섞 여 땅콩 버터 와 젤리 와 유사 한 조 교반 혼합물 이다.이런 배열 은 유기 분자(전자 공급 체)와 풀 러 렌(전자 수용체)사이 에 대면 적의 접촉 을 제공 하여 효과 적 인 전하 분
리 를 유도 한다.
다른 신 흥 광 볼트 기술 과 마찬가지 로 유기 광 볼트 모듈 은 얇 고 가 볍 고 유연 하여 건축물 외부 와 불규칙 한 모양 의 제품,예 를 들 어 가방 과 텐트 의 직물 에 매우 적합 하 다.
몇몇 회사 들 이 이러한 응용 을 적극적으로 추구 하고 있다.예 를 들 어 독일 드레스덴 에 본 사 를 둔 헬 리 아 트 크 는 몇 가지 시범 사업 을 진행 하고 있다. 이 사업 들 은 포일 모양 의 유기 광 볼트 모듈 을 유리, 콘크리트, 금속 으로 만 든 건축 입 면 에 통합 하 는 능력 을 돋 보이 게 한다.
헬 리 아크 가 판 매 · 제품 개발 을 담당 하 는 토 머 스 빅 (Thomas Bickl) 부회장 은 이 회사 의 현재 태양 광 모듈 생산 능력 이 연간 1 만 ∼ 2 만 ㎡ 에 달한다 고 지적 했다.그 는 이 지역 에 창고 크기 의 건물 이 하나 밖 에 없다 고 지적 했다.하지만 헬 리 악 터 는 빠르게 더 많은 제품 을 생산 할 준 비 를 하고 있다 "고 말 했다.우리 가 오늘 한 모든 것 은 우리 가 2018
년 에 시장 준 비 를 잘 할 수 있 도록 하기 위해 서 이다."그것 은 우리 의 양산 목표 년 이다."
인 피 니 티 PV 는 프 레 드 릭 크 레 브 스 덴마크 기술 대학 이 설립 한 덴마크 유기 광 볼트 초창기 회사 다.인 피 니 티 는 현재 교육,테스트,제조 분석 에 사용 되 는 태양전지 와 모듈 을 판매 하고 있다.크 레 브 스 와 동료 들 은 2013 년 대규모 볼 륨 인쇄 기술 을 개발 하고 이 기술 을 이용 해 16000 개의 유기 태양 전지 가 연 결 된 기록 적 인 꼬치 를 만 들 었 을 때 언론
의 주 의 를 끌 었 다.인 피 니 티 PV 는 휴대 전 화 를 위 한 태양 광 충전기 도 만든다.이 장 비 는 손 크기 의 케이스 로 신축 가능 한 유기 광 볼트 판 과 리튬 이온 전 지 를 내장 한 것 이 특징 이다.
얇 고 부 드 러 운 유기 광 볼트 판 을 펼 쳐 실내 나 실외 에서 휴대 전화 나 배 터 리 를 충전 한 후 말 아 보관 합 니 다.
비 크 는 유기 광 볼트 의 상업 화 를 추진 하 는 관건 적 인 장 애 는 기술 이 아니 라 자금 이 라 고 말 했다.그 는 헬 리 아 텍 의 시범 사업 이 이 제품 들 의 운행 이 양호 하고 믿 을 만하 다 는 것 을 증명 한다 고 말 했다.그러나 구성 요소 와 모듈 의 생산 규모 가 헤 리 아 트 의 현재 생산 능력 을 훨씬 초과 할 때 만 배터리 의 낮은 원가 우 위 를 실현 할 수 있다.이런 제조 규 모
를 달성 하기 위해 서 는 매년 최소 100 만 평방미터 가 되 어야 한다. 이 회 사 는 새로운 투자 자 를 유치 해 야 한다. 이 는 시범 규 모 를 늘 려 투자 자 들 의 신뢰 를 쌓 아야 한다.그 는 이 모든 절차 에 시간 이 필요 하 다 고 말 했다.
(3) 칼슘 티타늄 태양 전지
최고 전환 효율: 22.1%
상업 상태: 개발 단계, 제품 없 음
칼슘 티타늄 태양 전지: 그들 은 어떻게 일 합 니까?
칼슘 티타늄 태양 전지 투명 전극(녹색)을 통 해 광 민 칼슘 티타늄 재료 층(파란색)에 도착 하 는 빛 자극 을 전자 구멍 대(e–/h+)라 고 한다.대전 입자 가 분리 되 고 전하 전도 층 을 통 해 각자 의 전극 으로 확산 되 어 전 류 를 발생 시킨다.
칼슘 티타늄 태양 전 지 는 지난 몇 년 동안 모든 유형의 신 흥 광 볼트 기술 보다 더욱 주 목 받 았 다. 왜냐하면 그들 은 전대미문의 궤적 으로 전진 하고 있 기 때문이다.다른 신 흥 기술 과 다른 것 은
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