남아시아와 서남아시아가 원산지인“Common rose”나비의 검은 날개가 태양전지 효율 향상에 큰 영감을 줬다. 이 나비는 몇개의 붉고 하얀 반점에 대부분 검은색 날개를 갖고 있다. 날개는 매우 작은 구조로 덮혀 있고, 이 구조는 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양 에너지를 수확할 수 있게 해주어 높은 체온을 유지하게 하고 외관을 조절하는데 도움을 준다. 다양한 각도와 넓은 파장에 걸쳐 태양광을 흡수하는 것은 박막 태양전지에서도 필요하다.
California Institute of Technology와 Karlsruhe Institute of Technology (KIT) 연구자들은 나비 날개에서 영감을 얻어 박막 태양전지의 효율 향상 연구를 했다.
그들의 연구는 나비 날개의 비늘의 작은 구조를 이해하는데 초첨을 맞췄다. 이 구조의 크기는 나노에서 마이크로에 걸쳐있다. 예전에 과학자들은 이들 구조가 주기적이라고 생각했었는데 최근에 약간 무질서하다는 것이 밝혀졌다. 이 무질서는 넓은 각도와 넓은 파장에 걸쳐 광흡수하기에 더 좋다.
우선 과학자들은 나비의 검은 날개를 주사전자현미경으로 세밀하게 관찰했다. Cross-rib으로 연결된 비늘의 길이 방향을 따라 주기적인 능선을 볼 수 있었다. 작은 구멍이 능선과 cross-rib 사이에 있고 크기는 램덤하다.
나비 날개의 일부 영역은 좀 더 검은데 구멍의 밀도와 관련 있다는 것에 주목했다. 이것은 구멍의 밀도가 광 흡수 능력과 상관관계가 있다는 것을 뜻한다. 또한 낮은 구멍 밀도를 갖는 영역은 기계적 안정적에 더 큰 역할을 하는 것으로 들어났다. 구멍의 밀도는 효율적인 광흡수와 날개 구조를 지지하는 것 사이에 균형 잡기를 반영한다.
다음 단계로 나노 구멍의 광흡수에 대한 영향을 조사하기 위해 3차원 모델을 만들었다. 평탄하고 패턴이 없는 구조와 검은 나비의 날개와 같은 구조로 각각 만들어진 동일 물질과 동일 부피의 두판을 고려했다.
빛을 판에 비추었을 때 패턴된 판은 더 넓은 파장 영역에 걸쳐 상당히 많은 광을 흡수했다. 이는 빛의 파장이 어떻게 패턴의 크기와 상호작용하는지 보여 준다.
두드러진 광흡수는 다단계 시스템에서 기인하다. 맨 먼저 빛이 나노구멍과 능선에 의해 모아지고 일부가 흡수된다. 그런 후 밑으로 통과된 모든 빛은 밑에 있는 물질의 층에 의해 흡수될 수 있는 두번째 기회를 얻는다.
나비로 부터 배운것을 박막 흡수체에 적용하기 위해 연구자들은 태양전지에 일반적으로 사용 되는 물질로 4가지 나노구멍 배열을 시뮬레이션 했다.
- 패턴안된 판(Reference)
- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있고 크기가 같은 주기적이고 정렬된 배열
- 모든 구멍이 균등하게 이격되어 있으나 크기 다른 주기적이고 요동 배열
- 검은 나비 비늘로 부터 얻은 영감으로 나노구멍의 위치와 크기 물질서가 상관관계 있게 결합된 배열
시뮬레이션 결과 모든 패턴된 판은 패턴되지 않은 판 보다 상당히 기능이 좋았고 나비로 부터 영감을 얻은 디자인은 넓은 파장과 넓은 입사각에 걸처 가장 기능이 좋았다.
그들은 간단하고 확장성이 있는 기술인 a-Si:H을 이용하여 나비구조를 모사했다.
참고:http://physicscentral.com/buzz/blog/index.cfm?postid=2909922127547102123
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