태양전지 효율 12배 높였다…신개념 하이브리드 기술 개발

국내 연구진, 페로브스카이트에 나노 다이오드 결합…'핫 전자' 활용

태양전지 효율을 한층 높일 수 있는 신개념 하이브리드 기술이 개발됐다.

박정영·이효철 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장 연구팀은 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 '핫 전자 태양전지'를 만들었다고 12일 밝혔다.

잔잔한 호수에 돌을 던지면 잔물결이 일 듯, 금속 표면에 빛 에너지를 전달하면 금속 내부 자유전자가 표면에서 동시에 진동하는 현상(표면 플라스몬 공명)이 나타난다.

이 과정에서 자유전자는 높은 운동 에너지를 가지는 핫 전자가 된다.

에너지는 1∼3전자볼트 정도다.

핫 전자는 태양광을 전기 에너지로 전환하는 매개체로 활용할 수 있다.

이론적으로 기존 태양전지 방식보다 에너지 손실을 줄인다.

문제는 핫 전자가 수 피코초(1피코초는 1조분의 1초) 만에 소멸하는 데다 확산 거리가 수십 ㎚에 불과해 붙잡기 어렵다는 데 있다.

연구진은 이산화타이타늄 박막 위에 금 나노 구조체를 놓은 나노 다이오드를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아 올린 하이브리드 형태 태양전지를 만들었다.

발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기려 이름을 붙인 페로브스카이트는 차세대 태양전지 소재로 주목받는 화합물이다.

연구팀 분석 결과 하이브리드 태양전지의 경우 페로브스카이트만 단독으로 있을 때보다 광전류가 최대 12배 증폭했다.

효율이 12배 더 좋아지는 셈이다.

나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자가 집단으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라스몬 공명 현상 덕분이라고 연구팀은 설명했다.

핫 전자 수명은 62.38 피코초가량으로, 전보다 약 22배 길어졌다.

박정영 부연구단장은 "핫 전자 포집 시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생하는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫 전자 태양전지를 개발할 것"이라며 "핫 전자는 차세대 친환경 에너지원 개발 과정에서도 새로운 패러다임을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다
연구 성과는 '나노 레터스'(Nano Letters) 7월 26일 자 온라인판에 실렸다.

/연합뉴스