연구진이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지. (사진=기초과학연구원 제공)
국내 연구진이 순식간에 사라져버리는 '핫전자'를 붙잡아 태양전지의 효율을 대폭 높이는 기술을 개발했다.
기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수)과 이효철 부연구단장(KAIST 화학과 교수) 연구팀이 박남규 성균관대 교수팀과의 공동 연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발했다고 12일 밝혔다.
핫전자는 높은 운동에너지를 가진 전자로 페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물을 뜻한다. 회티타늄석이라고도 한다.
태양전지의 효율이 이론적 최대 효율에 다다르면서 핫전자 기반 태양전지는 차세대 에너지 전환 소자로 주목받는다. 핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용된다.
흡수한 빛에너지가 상당량 손실되며 전기에너지로 전환되는 기존 태양전지와 달리 핫전자 기반 태양전지는 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다.
문제는 핫전자가 수 피코 초(ps‧1조 분의 1초) 만에 소멸하고 확산 거리가 수십 나노미터(nm‧10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점이다.
연구진은 이 문제를 해결할 열쇠로 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산 거리를 갖고 있다는 점에 착안한 것이다.
연구진은 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 금 나노 구조체가 놓인 '나노 다이오드'를 제작하고 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다.
개발된 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자, 즉 광전류를 발생 시켜 핫전자의 흐름이 증폭됐다.
분석 결과 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미다.
나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라스몬 공명 현상으로 인해 효율이 향상되는 것이라고 연구진은 설명했다.
이후 연구진은 전자의 움직임을 펨토 초(fs‧1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 펨토초 시분해 분광법을 이용해 핫전자의 수명을 측정했다.
금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자는 발생 2.87피코초 만에 사라졌지만, 페로브스카이트와 결합한 경우엔 62.38피코초 가량 머물며 핫전자의 수명이 약 22배 길어진 것을 확인했다.
태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자 개발 가능성을 보여줬다고 연구진은 평가했다.
왼쪽부터 박정영 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장, 이효철 IBS 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장, 박유진 IBS 나노물질 화학반응 연구단 연구원. (사진=기초과학연구원 제공)
박정영 부연구단장은 "향후 핫전자의 소멸 및 포집 시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발해나갈 계획"이라며 "핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발의 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 말했다
연구성과는 국제학술지 '나노 레터스' 7월 26일 자 온라인판에 실렸다.