태양 전지 효율 12배 높이는 기술 개발

■ 태양 전지 효율 12배 높이는 기술 개발

 

태양 전지 효율을 한층 높일 수 있는 신개념 하이브리드 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노 물질 및 화학 반응 박정영. 이효철 연구팀은 성균관대 박남규 교수팀과의 공동 연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 '핫 전자 태양 전지'를 만들었다고 2019년 08월 12일 밝혔다. 잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛 에너지를 전달하면, 금속 내부 자유 전자가 표면에서 동시에 진동하는 현상(표면 플라스몬 공명)이 나타난다.

 

이 과정에서 자유 전자는 높은 운동 에너지를 가지는 핫 전자가 된다. 에너지는 1-3 전자 볼트 정도이다. 핫 전자는 태양광을 전기 에너지로 전환하는 매개체로 활용할 수 있다. 이론적으로 기존 태양 전지 방식 보다 에너지 손실을 줄인다. 문제는 핫 전자가 수 피코초(1피코초는 1조분의 1초) 만에 소멸하는 데다 확산 거리가 수십 ㎚에 불과해 붙잡기 어렵다는 데 있다.

 

연구진은 이산화타이타늄 박막 위에 금 나노 구조체를 놓은 나노 다이오드를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아 올린 하이브리드 형태 태양 전지를 만들었다. 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기려 이름을 붙인 페로브스카이트는 차세대 태양 전지 소재로 주목받는 화합물이다.

 

연구팀 분석 결과 하이브리드 태양 전지의 경우, 페로브스카이트만 단독으로 있을 때 보다 광전류가 최대 12배 증폭했다. 효율이 12배 더 좋아지는 셈이다. 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자가 집단으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라스몬 공명 현상 덕분이라고 연구팀은 설명했다. 핫 전자 수명은 62.38 피코초 가량으로, 전보다 약 22배 길어졌다.

 

박정영 부연구단장은 "핫 전자 포집 시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생하는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫 전자 태양 전지를 개발할 것이다. 핫 전자는 차세대 친환경 에너지원 개발 과정에서도 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다. 연구 성과는 '나노 레터스'(Nano Letters) 2019년 07월 26일자 온라인판에 실렸다.