태양전지 효율 46%까지 가능…IBS, 신소재 합성 성공

전이금속 칼코겐 화합물의 캐리어 증폭 현상 관찰


[아이뉴스24 최상국 기자] 태양전지의 광-전기 변환효율을 현재 한계인 33.7%를 넘어 46%까지 높일 수 있다는 연구결과가 나왔다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구진은 빛 에너지에 비례해 전류가 늘어나는 '캐리어 증폭' 현상을 2차원 물질에서 구현하고 관찰하는 데 최초로 성공하고 그 결과를 2일 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈' 에 발표했다.

'캐리어 증폭' 이란 광자(빛 알갱이) 한 개가 발생시키는 캐리어(전하 운반입자)의 수를 일반적인 상황보다 더 많이 발생시키는 현상을 말한다. 캐리어가 늘어나면 같은 태양빛에서 더 많은 전기를 생산할 수 있게 된다.

일반적으로는 에너지가 아무리 커도 광자 한 개는 캐리어(전자와 양공) 한 쌍만 발생시킬 수 있다. 남는 에너지는 열로 방출된다. 하지만 특정 조건(양자선, 양자점, 2차원 물질 등)에서는 발생한 캐리어의 여분 에너지가 열로 방출되는 대신 두세 쌍 이상의 캐리어를 추가로 발생시키는 ‘캐리어 증폭’ 현상이 일어나는데 이는 태양전지 효율을 크게 높일 열쇠로 주목받아 왔다.

IBS 연구진은 그동안 이론적으로 예측됐을 뿐 실제로 관측된 적이 없었던 2차원 물질에서의 캐리어 증폭 현상을 새로운 소재의 합성으로 구현해 내고 이를 관측하는 데 성공했다고 밝혔다.

캐리어 증폭 시 에너지 변화 모식도. 원자의 가장 바깥쪽 전자띠를 ‘가전자대’라고 부르고, 이보다 에너지가 커서 자유롭게 전자가 이동할 수 있는 에너지 준위를 ‘전도대’라고 부른다. 일반적인 경우 첫 번째로 생성된 전자-양공 쌍(가장 왼쪽)의 에너지가 열로 낭비(1)되면서 전도대로 내려오는 반면, 캐리어 증폭이 발생하면 (2)처럼 운동에너지를 포착하여 가전자대에 안정한 상태로 있던 새로운 전자들을 전도대로 여기시킨다. 그림에서는 총 2개의 전자-양공 쌍이 발생하게 된다.[IBS]

연구진은 매우 정밀한 기상화학증착 방식으로 전이금속 칼코젠 화합물 중에서 광변환 효율이 좋은 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)와 텅스텐디셀레나이드(WSe2)를 대면적으로 합성하는 방법을 개발했다. 전이금속 칼코젠 화합물은 원자층을 쉽게 2차원으로 분리할 수 있고, 높은 광흡수율과 우수한 캐리어 이동성 때문에 차세대 태양광 소재로 각광받는 물질이다. 그러나 전이금속과 칼코젠 사이의 결합을 만들기 어려워 대면적 합성이 드물었다.

연구진은 또한 전자의 움직임을 펨토초(1천조 분의 1초) 단위로 분석하는 초고속 분광법을 이용해, 순식간에 발생하는 캐리어 증폭 현상을 실시간으로 관측, 캐리어 발생 메커니즘과 증폭된 캐리어의 밀도 변화를 계산했다.

그 결과 먼저 발생한 캐리어의 여분 에너지가 최대 99% 효율로 추가 캐리어를 발생시키는 것을 관찰했다. 이는 기존에 양자점에서 관찰됐던 캐리어 증폭 효율인 약 91%보다 월등하게 높다.

현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커, 빛에서 전기로 변환되는 효율의 이론적 한계는 33.7%다. 연구진은 "이번에 합성한 2차원 물질을 활용하면 변환 과정에서 캐리어의 여분 에너지를 99% 활용할 수 있어 태양전지 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있을 것"으로 전망했다.

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

이번 연구는 네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행됐다.

◇논문명 : Carrier Multiplication in van der Waals Layered Transition Metal Dichalcogenides.

최상국기자 skchoi@inews24.com

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