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순식간에 사라지는 ‘핫전자’ 잡아 태양전지 효율 높였다

페로브스카이트와 나노다이오드 결합한 태양전지 개발

찰나의 순간에 흩어져 버리는 태양전지를 22배 길게 붙잡아 태양전지의 효율을 높이는 기술이 개발됐다. (출처: Maxpixel)
▲ 찰나의 순간에 흩어져 버리는 태양전지를 22배 길게 붙잡아 태양전지의 효율을 높이는 기술이 개발됐다.
(출처: Maxpixel)

태양전지의 효율을 한층 끌어올릴 기술이 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단의 박정영, 이효철 부연구단장 연구팀은 1조 분의 1초 만에 사라지는 핫전자(hot electron)를 붙잡아 태양전지의 효율을 높이는데 성공했다.

1954년 미국 벨연구소에서 최초의 태양전지가 개발된 이후 태양전지의 효율은 꾸준히 성장했다. 하지만 이론적 최대 효율인 33.7%에 다다름에 따라 과학자들은 태양전지를 이를 극복할 묘수를 찾기 시작했다. 이로 인해 주목받은 것이 핫전자다.

핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로, 이 전자의 흐름이 곧 전류다. 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 나노미터에 불과해 포집이 어렵다는 점이다. 연구진은 이 문제를 해결할 열쇠로 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점에 착안한 것이다.

연구진이 개발한 핫전자 페로브스카이트 태양전지의 모습
▲ 연구진이 개발한 핫전자 페로브스카이트 태양전지의 모습

연구진은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 나노 다이오드를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다. 이렇게 제작된 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자를 발생시킨다. 그 결과 핫전자의 흐름 즉 광(光)전류가 크게 증폭된다. 분석결과 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미다.

나노다이오드에 올린 페로브스카이트 박막의 두께에 따라 광전류는 5~12배가량 증폭된다.
▲ 나노다이오드에 올린 페로브스카이트 박막의 두께에 따라 광전류는 5~12배가량 증폭된다.

핫 전자의 수명 역시 22배 가량 길어졌다. 금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자는 발생 2.87피코 초 만에 사라진다. 반면 페로브스카이트와 결합한 경우엔 62.38피코 초 가량 머무는 것으로 나타났다.

박정영 부연구단장은 “핫전자의 소멸시간을 조절하면 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 고효율 태양전지를 개발할 수 있다”며 “차세대 친환경 에너지원 개발에 새로운 패러다임을 제시한 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 7월 26일자 온라인판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

Center for Nanomaterials and Chemical Reactions (나노물질 및 화학반응 연구단)

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이효철
이효철(Ihee, Hyotcherl) 이메일 보내기 나노물질 및 화학반응 연구단 Publications
박정영
박정영(Park, Jeong Young) 이메일 보내기 나노물질 및 화학반응 연구단 Publications
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    최종수정일 2019-01-30 19:14