IBS·성균관대, 기존보다 효율 12배 높은 핫 전자 태양전지 개발

국내 연구진이 태양전지 효율을 한층 높일 수 있는 신개념 하이브리드 기술을 개발했다.
박정영·이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 '핫 전자 태양전지'를 만들었다고 12일 밝혔다.
태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자 개발 가능성을 보여줬다는 점에서 의의가 크다.
잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛 에너지를 전달하면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 현상(표면 플라스몬 공명)이 나타난다. 이 과정에서 자유전자는 높은 운동 에너지를 가지는 핫 전자가 된다. 에너지는 1∼3전자볼트 정도다.

핫 전자는 태양광을 전기 에너지로 전환하는 매개체로 활용할 수 있다. 이론적으로 기존 태양전지 방식보다 에너지 손실을 줄인다.
문제는 핫 전자가 수 피코초(1피코초는 1조분의 1초) 만에 소멸하는 데다 확산 거리가 수십 ㎚에 불과해 붙잡기 어렵다.
연구진은 이러한 문제를 해결할 열쇠로 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점에 착안한 것이다.
연구진은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 '나노 다이오드'를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다.
연구팀 분석 결과 하이브리드 태양전지의 경우 페로브스카이트만 단독으로 있을 때보다 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 피코초가량으로, 전보다 약 22배 길어졌다.
박정영 부연구단장은 "핫 전자 포집 시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생하는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫 전자 태양전지를 개발할 것"이라며 "핫 전자는 차세대 친환경 에너지원 개발 과정에서도 새로운 패러다임을 제시할 것"이라며 기대를 드러냈다.
[디지털뉴스국 이세현 인턴기자]