기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 나노물질 및 화학반응 연구단(단장 유룡) 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수)과 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀은 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발했다. 태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자 개발 가능성을 보여줬다는 평가다.

태양전지의 효율이 이론적 최대 효율에 다다름에 따라 핫전자 기반 태양전지가 차세대 에너지 전환 소자로 주목받고 있다. 핫전자¹⁾는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로, 태양광을 전기에너지로 전환하는데 사용되는 매개체다. 흡수한 빛에너지가 상당량 손실되며 전기에너지로 전환되는 기존 태양전지와 달리 핫전자 기반 태양전지는 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다.

문제는 핫전자가 수 피코 초(ps‧1조 분의 1초)만에 소멸하고, 확산거리가 수십 나노미터(nm‧10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점이다. 연구진은 이 문제를 해결할 열쇠로 페로브스카이트²⁾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.

개발된 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자, 즉 광(光)전류를 발생시켜 핫전자의 흐름이 크게 증폭됐다. 분석결과, 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미다. 연구진은 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명³⁾ 현상으로 인해 효율이 향상되는 것이라고 설명했다.

이후 연구진은 전자의 움직임을 펨토 초(fs‧1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 펨토초 시분해 분광법⁴⁾을 이용해 핫전자의 수명을 측정했다. 금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자는 발생 2.87피코 초 만에 사라진다. 반면 페로브스카이트와 결합한 경우엔 62.38피코 초 가량 머물며 핫전자의 수명이 약 22배 길어졌다.

박정영 부연구단장은 “향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절하여 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 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.279) 7월 26일자 온라인 판에 게재됐다.

그림설명

▲ 그림 1. 연구진이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지의 모습연구진이 개발한 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지의 모습. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹은 구조다.

▲ 그림 2. 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지의 구조소자의 양 끝에 전극이 위치하며, 빛에너지 전환이 일어나는 활성영역은 가운데에 위치한다. 활성 영역은 250nm의 이산화티타늄(TiO₂) 박막 위에 30nm의 금 나노 구조체가 증착돼있으며, 그 위는 40nm에서 70nm 사이의 페로브스카이트(MAPbI₃) 박막이 덮여 있다.

▲ 그림 3. 활성 영역 단면의 주사투과전자현미경 이미지와 원소 분포제작한 나노 다이오드의 활성 영역 단면을 주사투과전자현미경을 이용하여 고각도 암시야 이미지로 촬영한 모습(b)과 에너지분산형 분광분석법을 통해 원소 분포를 이미지화 한 사진(c).

▲ 그림 4. 페로브스카이트와 금 나노 구조의 결합으로 증폭된 광전류 측정왼쪽은 광 에너지에 따른 입사광 대비 전류 전환 효율을 나타낸 그래프이고, 오른쪽은 전체 나노 다이오드에 흐르는 광전류를 나타낸 그래프이다. 페로브스카이트가 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 금 나노 구조체와 있을 때 그렇지 않은 구조에 비해 모든 광 에너지 영역에서 더 높은 광전류전환 효율을 나타내고 있으며, 전체 흐르는 광전류는 페로브스카이트 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 5배에서 12배까지 증폭되는 것을 나타낸다.

▲ 그림 5. 제작된 나노 다이오드 구조에서의 핫전자 수명 측정핫전자가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 펨토초 시분해 분광법(Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy)으로 측정 하였다. 금 나노 구조체만 있을 때는 약 2.87ps가 얻어졌으나 페로브스카이트와 금 나노 구조체가 함께 있는 경우에는 22배 더 긴 약 62.38ps가 얻어졌다. 이는 페로브스카이트와 금 나노 구조체가 결합되었을 때 훨씬 더 긴 수명을 가진 핫전자가 흐른다는 것을 나타낸다.