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1조 분의 1초만에 사라지는 핫전자 잡아 태양전지 효율 12배 높였다

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1조 분의 1초만에 사라지는 핫전자 잡아 태양전지 효율 12배 높였다

2019.08.12 15:03
박정영(가운데)∙이효철(왼쪽) 기초과학연구원(IBS) 나노물질및화학반응연구단 부연구단장(KAIST 화학과 교수)교수 공동연구팀이 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양지를 개발했다. 박유진(KAIST 화학과 박사과정생∙오른쪽)IBS 나노물질화학반응연구단 연구원도 제1저자로 함께 연구에 참여했다. IBS 제공
박정영(가운데)∙이효철(왼쪽) 기초과학연구원(IBS) 나노물질및화학반응연구단 부연구단장(KAIST 화학과 교수)교수 공동연구팀이 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양지를 개발했다. 박유진(KAIST 화학과 박사과정생∙오른쪽) IBS 나노물질화학반응연구단 연구원도 제1저자로 함께 연구에 참여했다. IBS 제공

태양전지의 효율이 이론상 최대 효율에 근접한 연구성과가 속속 나오고 있다. 이에 따라 '핫전자' 기반 태양전지가 차세대 에너지 전환 소자로 주목받고 있다. 핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로 핫전자 기반의 태양에너지는 에너지 손실을 최소화하기 때문이다.  


핫전자는 수 피코초(ps, 1조 분의 1초)만에 소멸하고 확산거리가 수십 나노미터(nm∙10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다. 국내 연구팀이 빛을 매우 잘 흡수하는 특성을 지닌 페로브스카이트를 이용해 이런 문제를 해결한 핫전자 태양전지를 개발하는 데 성공했다.


기초과학연구원(IBS)은 박정영∙이효철 나노물질및화학반응연구단 부연구단장(KAIST 화학과 교수)과 박남규 성균관대 화학공학및고분자공학부 교수 공동연구팀이 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발했다고 12일 밝혔다. 


연구팀은 기존 핫전자 태양전지가 지닌 문제를 해결하기 위해 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자가 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 가지고 있다는 점에 주목했다. 페로브스카이트는 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 1:1:3의 비율로 규칙적인 결정을 이루는 물질로 빛을 매우 잘 흡수하는 특성을 가지고 있다. 이로 인해 태양전지와 발광다이오드(LED) 등에 사용된다. 

 

연구팀이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지의 모습이다. IBS 제공
연구팀이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지의 모습이다. IBS 제공

연구팀은 우선 이산화티타늄 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 나노 다이오드를 제작했다. 그런 다음 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 만들었다. 


그 결과 연구팀은 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자를 발생시켜 핫전자의 흐름이 크게 증폭된 것을 확인했다. 페로브스카이트 단독일 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 연구팀은 “광전류가 최대 12배 증폭된다는 것은 효율이 12배 좋아진다는 의미”라며 “나노구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상 때문”이라고 분석했다. 


또 전자의 움직임을 펨토 초(fs∙1000조 분의 1초) 단위로 분석한 결과, 핫전자의 수명이 약 22배 길어지는 것으로 나타났다. 연구팀은 “금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자가 2.87피코 초만에 사라지는 반면 페로브스카이트와 결합한 경우 62.38피코 초 가량 머물렀다”고 말했다.


박 부연구단장은 “향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발할 것”이라며 “핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 말했다. 이번 연구결과는 국제학술지 ‘나노 레터스’ 지난달 26일 온라인판에 발표됐다.
 

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