순식간에 없어지는 전자 잡아 태양전지 효율 높인다

입력 : ㅣ 수정 : 2019-08-12 12:37

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페로브스카이트 태양전지와 핫전자 포착기술 결합
태양전지 픽사베이 제공

▲ 태양전지
픽사베이 제공

국내 연구진이 차세대 태양전지 기술인 페로브스카이트 태양전지와 물질 표면에 빛을 비췄을 때 발생하는 핫전자를 포착하는 기술을 결합시켜 새로운 개념의 태양전지 기술을 개발해 주목받고 있다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질및화학반응연구단과 성균관대 화학공학부 박남규 교수 공동연구팀은 페로브스카이트와 핫전자 포착 기술을 결합한 고효율 태양광 전환소자 개발에 성공했다고 12일 밝혔다. 이번 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스’ 최신호에 실렸다.

핫전자는 빛 에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지 전자로 태양광을 전기에너지로 전환할 때 사용되는 매개체로 알려져 있다. 현재 태양전지 기술은 빛에너지를 전기에너지로 전환할 때 에너지 손실이 상당히 크지만 핫전자를 기반으로 한 태양전지는 에너지 손실을 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 현재 기술수준으로는 태양전지 효율을 극대화시키는데 한계에 다다라 핫전자 기술을 이용한 태양전지 개발에 많은 과학자들이 관심을 갖고 있다.

문제는 핫전자는 발생 이후 1조분의 1초만에 사라지고 이동거리가 수십 나노미터(㎚)에 불과해 포집이 쉽지 않다는 점이다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 핫전자가 다른 물질에서 만들어진 것보다 수명과 확산거리가 길다는 사실에 착안했다. 연구팀은 이산화티타늄 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 나노 다이오드를 만들고 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아올린 형태의 태양전지를 만들었다. 여기에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자를 만들어 수명과 확산거리가 크게 증폭되는 것을 확인했다. 실제로 금 나노구조체만 있을 때 핫 전자는 발생 후 2.87피코초(피코초=1조분의 1초)만에 사라지지만 페로브스카이트와 결합된 경우는 62.38피코초가량을 머무는 등 핫전자 수명이 22배 이상 길어진 것이 관찰됐다.

박정영(카이스트 화학과 교수) IBS 나노물질및화학반응연구단 부연구단장은 “핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것”이라면서 “이번 연구를 바탕으로 핫전자의 소멸과 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발할 계획”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr
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