태양전지 효율 한계 뛰어넘을 수 있는 소재 찾았다
  • 세종취재본부 김상현 기자 (sisa411@sisajournal.com)
  • 승인 2019.12.03 14:29
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IBS 이영희 단장 연구진, 칼코젠 화합물에서 방법 찾아
기존 33.7%에서 46%로 한계 효율 높일 소재 합성 성공
플렉서블 태양전지 상용화에 활용할 것으로 기대

신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 기존 태양전지의 전기 생산 효율을 뛰어넘을 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리연구단 이영희 단장 연구진은 '캐리어 증폭 현상'을 이용해 태양전지의 효율 한계를 기존 33.7%에서 46%까지 높일 기반을 마련했다. 

캐리어 증폭 현상을 이용하면 버려지는 빛 에너지를 좀 더 많이 전기로 교환할 수 있다. 다만 캐리어 증폭을 일으킬 수 있는 2차원 소재 합성이 까다로웠는데 해결점을 찾아낸 것이다.

 

칼코젠 화합물로 캐리어 증폭 현상 이끌어 내

아무리 에너지가 커도 '광자'라고 불리는 빛 알갱이 한 개는 '캐리어'로 불리는 전하 운반 입자를 한 쌍만 발생하는 것이 기본이다. 그 외 에너지는 모두 열로 방출해 버려 낮은 전기 생산 효율에 대한 고민이 있어왔다. 

문재인 대통령이 2018년 10월30일 전북 군산시 유수지 수상태양광 부지에서 열린 ‘새만금 재생에너지 비전 선포식’ 행사를 마치고 수상태양광 시설을 둘러보고 있다. ⓒ 연합뉴스
문재인 대통령이 2018년 10월30일 전북 군산시 유수지 수상태양광 부지에서 열린 ‘새만금 재생에너지 비전 선포식’ 행사를 마치고 수상태양광 시설을 둘러보고 있다. ⓒ 연합뉴스

하지만 특정한 조건에서는 이 여분의 에너지가 두세 쌍 이상의 캐리어를 추가로 발생하는 '캐리어 증폭' 현상이 일어나는 것이 밝혀졌다. 과학자들은 이 현상이 태양전지 효율을 높일 수 있는 핵심 기술이라고 여겨 왔다.

IBS 연구진은 3년간의 시행착오 끝에 캐리어 증폭 현상을 일으킬 수 있는 조건을 갖춘 칼코젠 화합물(몰리브덴디텔루라이드(MoTe2), 텅스텐디셀레나이드(WSe2))을 대면적으로 합성하는 데 성공했다. 이후 전자의 움직임을 펨토초(1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 초고속 분광법을 이용해서 캐리어 증폭 현상을 실시간으로 분석했다. 그 결과 먼저 발생한 캐리어의 여분 에너지가 최대 99% 효율로 추가 캐리어를 발생시키는 것도 확인했다.

기존 실리콘 태양전지는 열 손실이 커서 이론적인 전기 생산 효율 한계가 33.7%가 한계였다. 하지만 연구진은 이번에 합성한 2차원 물질을 활용하면 캐리어의 여분 에너지를 99% 활용할 수 있어 태양전지 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 전망한다.

연구진은 "이번에 관측된 2차원 전이금속 칼코젠 소재의 독특한 광학적 특성은 앞으로 광검출기, 태양전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다"라며 "가볍고 우수한 빛 흡수력과 뛰어난 내구성, 유연성 때문에 향후 플렉시블 태양전지의 상용화까지 기대할 수 있다"라고 말했다.

네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 이번 연구는 국제 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.860)'지에 12월 2일(한국시간) 온라인 게재됐다.

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