태양전지 효율 한계 뛰어넘을 수 있는 소재 찾았다

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. 

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.