[문화] 식품 성분들, 뜻밖에도 태양열 전지 품질 향상시켜


태양열 판에 있는 전지들은 케잌처럼 생각될 수도 있는바 - 단순히 신종 성분으로 한 번 해보며 결과가 어떻게 드러나는지를 보면 될 정도로 가장 쉬운 것이다. (Credit: Alamy)


 

: 존 메이저


 

입력 2021.2.15.

BBC 원문 2021.2.2.

 

있을 것 같지도 않은 일이지만, 태양열 전지판을 만들 때 부엌 찬장에 있는 여러 자기 성분들을 사용하면 더욱 효율적이라는 것을 발견했다. 태양전지 과학자 존 메이저가 그 이유를 설명한다.

 

[시사뷰타임즈] 거품을 내는 음료수에서부터 계속 먹고 싶어지는 바삭바삭한 감자 과자들에 이르기까지, 많은 발명품들은 발명품의 이례적이자 종종 엄중하게 신중한 성분들 때문에 유명해져 있다. 그러나 태양열 전지판들은 이러한 성분들 상위 목록에서는 보통 발견되지 않는다. 하지만, 몇가지 식품의 성분들은 태양열 전지에 추가시키면 의외로 유용하다는 것이 증명 됐다.

 

사람들이 무엇을 즐겨 먹느냐에 따라, 집에서 이러한 성분들 중 최소한 한 가지를 발견할 수 있는 좋은 기회가 있다. 고추 (capsicum, chilli peppers) 속에 들어 있는 성분이자 톡쏘는 매운 맛의 원인인 캡쎄이슨 (Capsaicin) 페롭스카이트태양열 전지 -태양열 전지판을 구성하는 장치- 기능을 증진시킨다는 것이 발견됐다.




perovskite (페롭스카이트) 자세히 보기





캡싸이슨을 추가하면 태양열 전지의 활성 물질을 구성하는 알갱이들을 확대시키면서, 보다 더 전기를 효율적으로 실어 나르도록 해준다. 더욱 중요한 것은, 이 물질이 전자가 부족한 상태에서 넘치는 상태로 만들어 준다는 것인데, 전지가 작동하는 방식을 변화시켜 더 많은 햇빛을 전기로 변환시키게 해주기 때문에 그러하다. 본질적으로, 캡싸이신을 추가시키면 전자 (특히나 매운 비리아니 -: 쌀을 고기나 생선 또는 야채와 함께 요리한 남아시아 요리- 를 먹었을 때 혀에서 똑같은 효과를 경험하게 해주거나 해주지 않을 수도 있는) 를 추가시키는 것이다.

 

 

우선 어떻게 고추 성분을 

태양열 전치판에 추가하겠다는 생각을 한 걸까?

 

 

캡싸이신으로 짜여있는 전지들이 보고된 것들 중에 가장 효율적인 것에 속한다. 머릿기사를 점유하기 위해 술책을 부리는 것이 아니라, 고추에서 비롯되는 이 화학성분을 추가시키는 것이 태양열 전지들의 기능을 사실상 증진시키는 길로 가는 것일 수도 있다는 것이었다.

 

그러나 애시당초 왜 고추를 태양열 전지판에 추가시키겠다는 생각을 한걸까? 불행스럽게도, 연구언들은 자신들의 생각 과정을 일려주지 않았다. 그러나 나도 우연히 이 분야에서 한 형태를 갖게 됐다.

 

2014, 난 염화 맥니셤 (마그네슘) 이라는 복합물이, 형태가 다른 태양열 전지들이라도, 어떻게 태양열 에너지 비용을 극적으로 절감시킬 수 있는 것인지를 보여는 논문을 하나 출간했었다. , 만일 어느 사람이 채식주의자라면, 그는 이 성분을 한 두 번은 아마도 소비해 보았을 것이다.

 

이것은 식탕용 소금 (Na 나트륨) 과 크게 다르지 않은 소금이며 바닷물에서 얻을 수 있다. 이것에는 사용 용도가 많지만, 가장 인기있는 용도는 일본 요리에서 인데, 일본에선 니가리라고 알려져 있는 것으로서 두부 응고제로 쓰인다. 내가 발견한 사실들이 일부 언론에서 두부 태양열이라고 올리게 됐는데, 재밌는 것이었고 나는 학술회의에서 두부 소년이라고 불렸다 (이건 재미가 덜했다).

 

이러한 상황이 식품 화학물질이 특이나 태양열 연구로 훨씬 더 옮겨진 것을 의미할까? 꼭 그렇지는 않다. 이 우연의 일치가 식품과 화학적 성질 사이의 겹치는 것에 대해 더 일할 거리를 갖게 됐고 만일 이렇게 하면 어떻게 될까라는 식의 접근 -많은 물질 과학자들을 안내해 주는- 이었다.


 

태양열 전지는 케잌 같다고 생각해 보시라. 신종 성분을 추가시켰을 때 어떤 일이 일어나는지를 알아보려면, 케잌을 구운 다음에 최종적으로 남는 혼합물을 본보기로 하는 것이 훨씬 더 믿을 만하다. 


 

사람들은 태양열 전지 연구 대부분을 물리학자들이 하는 걸로 생각할 지도 모르겠다. 부분적으로는 사실 -나도 그 중 하나니까- 이지만, 입자 물리학자들이 대형 해드런 (: hadron; 바리온(baryon)과 중간자(meson)를 포함한 소립자의 일종) 충돌형 가속기 (: 두 개의 소립자 흐름을 빠르게 하여 서로 충돌시키는 기계) 또는 우주론적 연구로 행해지는 작업과 연구 접근법과는 공통분모가 거의 없다. 그러한 분야들은 일반적으로 매우 복잡한 계산과 이론 작업 등을 축으로 돌아간다. 다른 말로 하면, 칠판을 쳐다보는 시간이 아주 많다는 얘기다.

 

태양열 전지 연구는 정말이지 재료 과학의 문제이며, 물리학과 화학 중간 쯤에 위치한다. 새로운 태양열 전지 기술 개발이나 그와 관련된 과정은 매우 노동집약적이라서, 비슷은 하지만 약간은 달라진 전지 설계들의 기능성 실험에 일반적으로 엄청난 시간을 쏟아 붓는다. 태양열 전지들은 다른 재료들이 켜켜이 쌓인 것으로 이루어져 있기에, 한 구성요소를 바꾸었을 때 전제적 구조 기능에 어떤 일이 일어날지를 예측하기가 힘들다.

 

내가 만일 A층에 어떤 것을 가미하면 이 층은 변하고, 그 밑에 있는 B, C, 그리고 D층의 꼭대기도 마찬가지로 변한다. 유사하게, 내가 만일 C층에 변화를 주면, 위 아래에 있는 A층과 B층은 내가 어떻게 변화를 시켜야 할까? 그리고 그 이후 D층에는 어떤 일이 일어날까? 여러분들은 이런 걸 예측하기가 얼마나 어려울 것인지 감을 잡을 수 있을 것이며, 그렇기에 이러한 상황이 이 분야에서 많은 혁신의 비료가 된다.

 

우린 식품에서 발견되는 더 많은 복합물이 미래의 태양열 전지들속으로 들어간다고 해도 놀라지 말아야 하는데, 이유는 이런 것들은 종종 KS 특성을 지닌 유기적 복합물들이기 때문이다.

 

태양열 전지는 케잌 같다고 생각해 보시라. 신종 성분을 추가시켰을 때 어떤 일이 일어나는지를 알아보려면, 구워 보기도 전에 모양과 맛이 어떨 것이라고 예측하기 보다는, 케잌을 구운 다음에 최종적으로 남는 혼합물을 본보기로 하는 것이 훨씬 더 믿을 만할 것이다.

 

결국 우리가 먹는 식품들은, 태양열 전지들과 똑같이, 복합물들의 혼합체이다. 우리가 고추에서 비롯되는 캠싸이신을 알고 있지만, 이것은 진짜로 유기적 혼합물이며, 동시에 일어나는 일로 태양열 전지 처리과정을 적합하게 만드는 특성을 갖고 있을 뿐먼 아니라, 화지타 (: 양파·고추·닭고기 또는 쇠고기 따위를 조리해 tortilla -토틸라; 옥수수 가루나 밀가루로 구운 부꾸미 같은 것. 보통 따뜻할 때 안에 고기, 치즈 등을 넣어 먹음- 로 싸서 먹는 멕시코 요리) 를 더 맵게 하는 특성 또한 있다.

 

내 입장에서만 보자면, 난 염화 마그네셤을 이용한 처리 과정을 개발했고 내가 논문을 쓰게됐을 때인 나중에서야 이것이 두부에도 쓰인다는 것을 알아냈었다. 슬프게도 난 채식주의자들 대열 속에서 영감을 받은 것이 아니었다. 그래서, 이러한 접근법들은 여러분들이 처음 읽을 때의 느낌만큼 기이하거나 괴이쩍은 것이 아니다. 이러한 혼합물들에 내재하는 것을 기초로 하는 일부 초기 논리학들이 보통 있는데, 이러한 매력적인 과학적 비행편이 종종 흥미로운 돌파구 쪽으로 이어진다.

 

그래서, 만일 여러분들이 가까운 미래에 육두구 (: 육두구 나무의 열매로 양념·향미료로 쓰임) 또는 어떤 것을 첨가함으로써 태양열 전지들이 측량이 불가능할 정도로 개선됐다는 기사를 읽게 된다면, 지루함 및 유통기한이 다 돼서가 아니라, 그 업적은 가능성 있는 결과에 대한 정보를 받은 호기심의 결과가 해낸 것이라고 믿으시라.




The unexpected ingredients that improve solar cells


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Solar cells can be thought of like cake it's easiest to simply give novel ingredients a go and see how they turn out (Credit: Alamy)

 

By Jon Major

2nd February 2021

 

From The Conversation

 

A number of kitchen-cupboard ingredients have found unlikely employment in making solar panels more efficient. Solar cell scientist Jon Major explains why.

 

From fizzy drinks to moreish crisps, many inventions are famed for their unusual and often closely guarded ingredients but solar panels aren't usually found at the top of that list. However, several food ingredients have proved to be unexpectedly useful when added to solar cells.

 

Depending on what you like to eat, there's a good chance you can find at least one of them at home. Capsaicin, the chemical that gives chilli peppers their spicy sting, has been found to improve perovskite solar cells the devices that make up solar panels.

 

Adding capsaicin expands the grains which make up the active material of the solar cell, allowing it to more effectively transport electricity. More importantly, the material goes from having a deficit of electrons to having an excess, which changes how the cell operates and allows more sunlight to be converted to electricity. In essence, adding capsaicin adds electrons (which may or may not be the same effect you experience on your tongue after a particularly spicy biryani).

 

Why would you think to add chilli peppers to a solar panel in the first place?

 

The capsaicin-laced cells are among the most efficient that have been reported. Rather than a gimmick to grab headlines, adding this chemical from chilli peppers may actually be a route to improving the performance of solar cells.

 

But why would you think to add chilli peppers to a solar panel in the first place? Unfortunately, the researchers didn't share their thought process. But I happen to have form in this area too.

 

In 2014, I published a paper demonstrating how a compound called magnesium chloride could dramatically reduce the cost of solar energy, albeit in a different type of solar cell. Haven't heard of magnesium chloride? Well if you're vegan, you've probably consumed it at one time or another.

 

It's a salt not too dissimilar to table salt (sodium chloride) and it can be recovered from sea water. It has many uses, but one of its most popular is in Japanese cooking, where it's known as nigari and used as the coagulant for thickening tofu. My findings led to some media coverage of "tofu solar", which was fun, and me getting called “tofu boy” at academic conferences (less fun).

 

Does this mean food chemicals transfer particularly well to solar cell research? Not really. The coincidence has more to do with the overlap between food and chemistry and the "what if" approach that guides a lot of materials scientists.

 

Think of solar cells like cake. To find out what will happen when you add a novel ingredient, it's far more reliable to bake it and then sample the final concoction

 

You might think that most solar cell research is done by physicists. This is partly true I'm one myself but the research approach has little in common with work done by particle physicists at the large hadron collider, or cosmological research. Those fields generally revolve around heavy computation and theory work. In other words, a lot of time staring at blackboards.

 

Solar cell research is really a matter of materials science, which sits somewhere between physics and chemistry. The development of new solar cell technologies or processes is very labour-intensive, and the typical approach is to spend a great deal of time testing the performance of a large number of comparable but slightly altered cell designs. Solar cells are comprised of stacked layers of different materials, and it's hard to predict what will happen to the performance of the entire structure by changing one component.

 

If I add something to layer A and it changes, then layers B, C and D on top of it will probably change as well. Similarly, if I change layer C, will I need to change how I made A or B? And what will then happen to D? You can probably get a sense of how hard this would be to predict, and this feeds the curiosity behind much of the innovation in this field.

 

We shouldn't be surprised if more compounds found in food make their way into solar cells in future, as they are often organic compounds with useful properties (Credit: Alamy)

 

Think of solar cells like cake. To find out what will happen when you add a novel ingredient, it's far more reliable to bake it and then sample the final concoction than to try to predict what it will look and taste like before you bake it.

 

In the end, the food we eat, just like solar cells, is a mix of compounds. While we know capsaicin from chilli, it's really just an organic compound, which, coincidentally, has particular properties that make it suitable for solar cell processing as well as for spicing up a fajita.

 

For my own part, I had developed the process of using magnesium chloride and only later found out when I came to write the paper that it was used in tofu. I wasn't inspired in the vegan food aisle, sadly. So, these approaches are not as weird and wacky as they sound when you first read about them. There is usually some initial logic that's based on the inherent chemistry of these compounds, and these flights of scientific fancy are often what leads to interesting breakthroughs.

 

So, if in the near future you read an article about solar cells improved immeasurably by adding nutmeg or something, trust that it's been done as a result of informed curiosity of the likely effect, rather than boredom and a looming best-before date.

 

[기사/사진: BBC]



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