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순식간 사라지는 핫전자 잡았더니 '태양전지 효율 ↑'

IBS-성균관대 교수팀, 페로브스카이트와 나노다이오드 결합 ‘하이브리드 태양전지’ 개발
 IBS와 성균관대 교수팀이 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지 개발에 성공했다.<사진=IBS 제공> IBS와 성균관대 교수팀이 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지 개발에 성공했다.<사진=IBS 제공>

국내 연구진이 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발하는데 성공했다. 주인공은 박정영·이효철 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단과 성균관대 교수팀이다. IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 공동연구진이 연구결과를 통해 태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자 개발 가능성을 보여줬다는 평가를 받았다고 12일 밝혔다.

태양전지 효율은 이론적 최대 효율에 다다른 상태다. 이에 핫전자 기반 태양전지가 차세대 에너지 전환 소자로 주목받고 있다. 핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지전자로 태양광을 전기에너지로 전환하는데 사용된다. 흡수한 빛에너지가 상당량 손실되며 전기에너지로 전환되는 기존 태양전자와 달리 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다. 

하지만 핫전자가 수 피코 초(ps‧1조 분의 1초)만에 소멸하고, 확산거리가 수십 나노미터(nm‧10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점이 문제였다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트에 주목했다. 페로브스카이트는 빛을 매우 잘 흡수하는 특성으로 인해 태양전지와 발광다이오드(LED) 등에 사용되는 물질이다. 여기서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다.

연구진은 이 점에 착안해 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다. 그 결과 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자, 즉 광(光)전류를 발생시켜 핫전자의 흐름이 크게 증폭되는 것을 확인했다. 

연구진은 "분석결과 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미"라며 "나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 효율이 향상되는 것"이라고 설명했다.

연구를 주도한 박정영, 이효철, 박유진 연구원.<사진=IBS 제공>연구를 주도한 박정영, 이효철, 박유진 연구원.<사진=IBS 제공>
연구진은 더 나아가 전자의 움직임을 펨토 초(fs‧1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 펨토초 시분해 분광법을 이용해 핫전자의 수명을 측정해 핫전자 수명이 약 22배 길어진 것을 확인했다.

박정영 부연구단장은 "향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발해나갈 계획"이라며 "핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 말했다

이번 연구성과는 박남규 성균관대 교수팀과 공동으로 진행됐으며, 국제학술지 나노 레터스 7월 26일자 온라인 판에 게재됐다.
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