에너지 하베스팅 / 반사방지 필름 (Hybrid energy harvester)

 

 - 청정 에너지의 개발은 현재의 에너지 위기와 환경 오염 문제를 해결하는 방안 중 하나이며, 그 중 태양 전지는 높은 에너지 변환 효율과 무공해 특성으로 인해 가장 주목받고 있습니다. 태양 전지는 광전 변환 과정에서 추가적인 환경 오염을 일으킬 위험 없이 태양 조사 에너지를 전기 에너지로 직접 변환할 수 있습니다. 그러나 시간과 공간에서 햇빛 복사의 불균형한 분포는 복잡하고 변화무쌍한 자연 환경에서 태양 전지의 성능을 낮춥니다. 예를 들어, 태양 전지의 전기 출력 성능은 비가 오는 날에 크게 저하됩니다. 따라서 태양전지와 다른 에너지 하베스터를 결합하여 하이브리드 에너지 하베스터를 개발하는 것은 작업 여건을 넓히고 에너지 하베스팅의 효율성을 높이는 데 매우 실용적입니다.

 

 - 자연적인 기계적 에너지(예: 바람과 빗방울 등)는 자연 환경에 널리 분포되어 있습니다. 2012년에는 이러한 기계적 에너지를 전기로 변환하는 완전히 새로운 기술이 Zhong Lin Wang의 팀에 의해 발명되었으며, 이른바 TENG(triboelectric nanogenerator)로 알려져 있습니다. TENG의 작동 원리는 접촉 대전과 정전기 유도 효과의 결합을 기반으로 합니다. 또한 다양한 종류의 기계적 에너지를 수집할 수 있습니다. 예를 들어 인간의 움직임, 흐르는 바람 및 열을 포함하여 우리가 쉽게 접할 수 있는 환경으로부터 에너지를 수집하여 전기에너지로 변환합니다.

 

 - 고체/고체 계면에 대한 전통적인 접촉 대전과는 별도로, 접촉 대전이 고체/고체 계면 에도 존재한다는 것이 발견되었습니다. 이 메커니즘을 기반으로 연구진은 물방울의 기계적 에너지를 전기로 직접 수확하는 TENG(WD-TENG)를 개발했습니다. WD-TENG는 비오는 날 빗방울의 에너지를 수집할 수 있고 태양 전지의 작동하는 범위의 환경을 자가 세척할 수 있는 기능을 갖췄습니다.

 

 - 다양한 기상 조건에서 포괄적인 에너지 수확을 실현하기 위해 태양 전지와 WD-TENG의 몇 가지 하이브리드 에너지 수확기가 제작 및 보고되었습니다. 예를 들어 Zheng et al. 는 빗방울 에너지와 태양 에너지를 동시에 수확할 수 있는 태양 전지 표면에 나노막대 어레이 구조의 폴리테트라플루오로에틸렌/인듐 주석 산화물/폴리에틸렌테레프탈레이트(PTFE/ITO/PET)로 WD-TENG를 구현했습니다. 마이크로볼 어레이 구조의 WD-TENG(폴리디메틸실록산 / ITO/ 폴리에틸렌 나프탈레이트)(PDMS/ITO/PEN)은 태양 에너지와 빗방울 에너지 하베스팅을 실현할 뿐만 아니라 장치의 자동 청소 기능을 나타냈습니다. 그러나 이러한 하이브리드 에너지 하베스터에서 WD-TENG는 태양 전지 표면에 직접 제작되어 빛 흡수를 차단하여 태양 전지의 에너지 대화 효율을 감소시킵니다. 이를 보완하기 위해 국내 연구진은 표면광 반사를 최소화하기 위해 보호 유리판 대신 태양 전지 표면에 직접 부착할 수 있는 반사 방지(AR) WD-TENG를 도입하여 태양 에너지 대화 효율성을 향상시키기로 했습니다. 그러나 이 WD-TENG는 여전히 태양 전지 표면에 직접 부착되어 있기 때문에 태양 전지에 대한 AR 특성은 제한적이었습니다. 따라서 WD-TENG의 새로운 마찰전기층을 탐색하고 빗방울의 에너지를 수집하는 동시에 태양 전지의 광 흡수를 향상시킬 수 있는 하이브리드 에너지 수확기의 구조를 최적화하는 것은 매우 중요합니다.

 

이중 기능의 나노 주름 PDMS 필름은 빗방울 에너지를 수집하는 마찰 전기 층과 태양 에너지 변환 효율을 향상시키는 태양 전지의 반사 방지 층 역할을 할 수 있는 태양 전지 표면에 도입되었습니다 .

 

 - 다양한 나노 구조를 갖는 AR 필름은 흡광 입사광의 반사 손실을 감소시키고 개선하기위한 효과적인 방법 중 하나이며 태양전지의 종류에 따라 다양하게 설계될 수 있습니다. 따라서 하이브리드 에너지 하베스터에서 감소된 광 흡착의 단점을 극복하기 위해 본 연구에서는 Si 기반 태양 전지 표면에 이중 기능 nw-PDMS 필름을 설계 및 제작했습니다. WD-TENG의 마찰 전기 층과 태양 전지 아래의 반사 방지 층. AR 속성의 이점을 활용하여 태양 전지의 변환 효율이 12.55%에서 13.57%로 증가했습니다. 또한 flat PDMS(f-PDMS) 필름이 있는 장치와 비교하여 WD-TENG의 385.5% 및 299.1% 증가했습니다. 여기에 제안된 방법은 햇빛과 빗방울로부터 향상된 하이브리드 에너지 수확기를 개발하기 위한 새로운 접근법을 제공합니다.

 

 

이 연구는 햇빛과 빗방울로부터 에너지를 수집하는 능력을 동시에 향상시킨 고성능 하이브리드 에너지 하베스터를 개발하기 위한 연구를 보여줍니다. 더욱이, 이 간단한 제조법은 장벽 없이 다른 모든 유형의 태양 전지에 쉽게 이전될 수 있어 큰 보편성과 광범위한 응용 전망을 보여줍니다.