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태양전지 효율한계 46%로 향상시킬 2차원 물질 특성 발견

기초과학연구원 "플렉시블 태양전지 상용화 기대"

(대전=뉴스1) 김태진 기자 | 2019-12-02 19:00 송고
캐리어 증폭 시 에너지 변화 모식도(IBS 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 기존 태양전지의 효율 한계를 46%까지 향상시킬 2차원 물질의 특성을 발견했다.

기초과학연구원(IBS·원장 노도영)은 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구진이 빛에너지에 비례해 전류가 늘어나는 캐리어 증폭 현상을 2차원 물질에서 최초로 관찰했다고 2일 밝혔다.

광자 한 개를 더 많은 전하입자로 변환할 수 있는 길을 연 것으로, 광자가 전하입자를 일대일로 발생시켰던 기존 태양전지의 효율 한계 33.7%를 46%로 향상시킬 수 있는 기반을 마련했다.

연구진은 캐리어 증폭이 발생할 가능성이 높은 후보 물질들을 합성하는 방법을 개발했다.

3년간의 시행 착오 끝에 매우 정밀한 기상화학증착을 이용, 전이금속 칼코젠 화합물 중에서 광변환 효율이 좋은 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)와 텅스텐디셀레나이드(WSe2)를 대면적으로 합성하는 데 성공했다.

이후 전자의 움직임을 펨토초(fs·1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 초고속 분광법을 이용해 순식간에 발생하는 캐리어 증폭 현상을 실시간으로 분석했다.

연구진은 아주 짧게 지속하는 펨토초 레이저로 캐리어를 1차로 발생시킨 후 시간차를 두고 여분의 에너지가 여러 쌍의 캐리어로 전환되는 과정을 별개의 레이저로 관측했다. 이때 캐리어와 레이저가 상호 작용하는 신호를 종합해 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 높은 것이다.

현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커 빛에서 전기로 변환되는 효율은 33.7%가 한계다.

연구진은 이번에 합성한 2차원 물질을 활용하면 변환 과정에서 캐리어의 여분 에너지를 99% 활용할 수 있어 태양전지 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 전망했다.

이영희 IBS 나노구조물리 연구단 단장(교신저자)© 뉴스1

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

네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 온라인 판에 2일(한국시간) 게재됐다.


memory444444@nate.com