순식간에 사라지는 `핫전자` 활용…광변환 효율 22배 높인 태양전지

박정영 IBS 부연구단장 연구팀
'페로브스카이트' 이용 기술해
차세대 친환경에너지원 가능성

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순식간에 사라지는 `핫전자` 활용…광변환 효율 22배 높인 태양전지
IBS 연구팀이 개발한 '페로브스카이트 핫전자 태양전지' 모습. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹어 광변환 효율이 우수하다. IBS 제공


국내 연구진이 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 '페로브스카이트'를 이용해 태양전지 효율을 한층 높일 수 있는 기술을 개발했다. 기존 태양전지가 안고 있는 한계를 극복할 '초고효율 태양전지' 상용화를 앞당길 기술로 폭넓게 쓰일 전망이다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수)·이효철 부연구단장(KAIST 화학 교수) 연구팀은 박남규 성균관대 교수팀과 공동으로 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 '핫전자 태양전지'를 개발했다고 12일 밝혔다.

현재 이론적으로 태양전지 효율이 최대에 도달함에 따라 이를 극복하기 위해 핫전자 기반의 태양전지가 차세대 에너지 전환소자로 주목받고 있다.

핫전자는 빛에너지를 흡수할 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자(1∼3전자볼트)로, 태양광을 전기에너지로 전환하는 매개체로 쓰인다. 핫전자를 이용한 태양전지는 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 핫전자는 매우 짧은 순간인 수 피코초(ps·1조분의 1초)만에 사라지고, 확산거리가 수십 나노미터에 불과해 포집이 어렵다.

연구팀은 이 같은 문제를 페로스카이트 소재로 활용해 해결했다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖기 때문에 좀 더 많은 시간과 거리를 확보해 핫전자를 보다 쉽게 포집할 수 있다.

연구팀은 이산화티타늄 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 '나노 다이오드'를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트를 쌓아 올려 태양전지를 만들었다. 이렇게 제작한 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 광전류를 발생시켜 핫전자 흐름을 크게 증폭시킨다. 페로브스카이트 단독으로 있을 때보다 광전류가 최대 12배 커진 것으로 나타났다. 광전류가 증폭될수록 효율은 높아진다. 이는 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 효율을 향상시켰기 때문이라고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 전자 움직임을 펨토초 시분해 분광법을 이용해 핫전자 수명을 측정한 결과, 페로브스카이트와 결합했을 때 62.38피코 초 가량 머물다가 사라진 것으로 확인했다. 이는 금 나노 구조체 단독으로 있을 때 핫전자가 2.87피코 초 만에 없어진 것에 비해 핫전자 수명이 22배 길어졌음을 의미한다.

박정영 IBS 부연구단장은 "앞으로 핫전자 소멸과 포집 시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '나노 레터스(지난달 26일자)' 온라인판에 게재됐다.

이준기기자 bongchu@dt.co.kr

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