광전 효율 12배 높인 '하이브리드 태양전지’ 개발

IBS 나노물질 및 화학반응 연구단, 페로브스카이트와 금나노 다이오드 결합


[아이뉴스24 최상국 기자] 페로브스카이트와 금나노 다이오드를 결합해 기존 태양전지의 광-전류 전환효율을 최대 12배까지 높일 수 있는 '하이브리드 태양전지'기술이 개발됐다. 기존 태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자 개발 가능성을 높인 것으로 주목된다.

기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단은 12일 박정영·이효철 부연구단장 연구팀이 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발했다고 발표했다.

연구진이 개발한 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지의 모습. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹은 구조다. [IBS 제공]

연구팀에 따르면 핫전자(Hot electron)는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로, 태양광을 전기에너지로 전환하는 매개체로 사용할 수 있지만 기존의 태양전지는 이를 활용하지 못해 흡수한 빛에너지의 상당량을 전기에너지 전환 과정에서 잃어버린다. 핫전자는 수 피코 초(1조 분의 1초)만에 소멸하고, 확산거리가 수십 나노미터에 불과해 포집이 어렵기 때문이다.

연구팀은 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점에 착안해 금 나노 다이오드와 페로브스카이트를 결합한 태양전지를 만들었다. 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 ‘나노 다이오드’를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조한 것.

그 결과 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자, 즉 광(光)전류를 발생시켜 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭됐다. 연구팀은 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 효율이 향상된 것이라고 설명했다.

연구진은 또한 전자의 움직임을 펨토초(1천조 분의 1초) 단위로 분석하는 펨토초 시분해 분광법을 이용해 핫전자의 수명을 측정한 결과 금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자는 발생후 2.87피코 초 만에 사라졌으나 페로브스카이트와 결합한 경우에는 62.38피코 초로 약 22배 길어진 것을 확인했다.

연구팀은 "태양전지의 효율이 이론적 최대 효율에 다다름에 따라 핫전자 기반 태양전지가 차세대 에너지 전환 소자로 주목받았으며, 페로브스카이트에서 우수한 핫전자 특성들이 나타난다는 점이 밝혀졌으나 실제로 페로브스카이트를 이용해 핫전자 태양전지를 구현하려는 시도는 없었다"면서 "이번 연구는 전체 광전류를 구성하는 각 핫전자 흐름의 기원을 밝혀내고 페로브스카이트에서의 핫전자 생성과 거동에 대한 근본적인 이해를 제공한 것"이라고 밝혔다.

박정영 부연구단장(KAIST 화학과 교수)은 “향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발해 나갈 계획”이라며 “핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 말했다

이번 연구성과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters) 7월 26일자 온라인 판에 게재됐다.

최상국기자 skchoi@inews24.com

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