"태양전지 효율 크게 높이는 물질 발견" IBS 이영희 단장 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
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"태양전지 효율 크게 높이는 물질 발견" IBS 이영희 단장 연구팀 논문, SCI급 국제학술지 등재
  • 정 현 기자
  • 승인 2019.12.03 15:21
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자연과학분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 12월 2일자 온라인판 게재
태양광 전지 모습 / 사진=pixabay
태양광 전지 모습 / 사진=pixabay

[위즈뉴스] 기초과학연구원(IBS)은 2일, 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구팀이 네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 연구에서 빛 에너지가 전하입자로 전환될 때의 여분 에너지를 추가 전하입자로 변환시키는 '캐리어 증폭' 현상을 2차원 물질에서 처음 발견했다고 밝혔다.

이번 발견으로, 광자가 전하입자를 일대일로 발생시켰던 기존 태양전지 효율을 한계치였던 33.7%에서 최대 46%까지 향상시킬 기반을 제공한 것으로 전해졌다. 

이번 연구는 향후 플렉서블 태양 전지, 광검출기 등에 응용될 것으로 기대된다.

이번 연구성과를 담은 논문은 'Carrier Multiplication in van der Waals Layered Transition Metal Dichalcogenides'라는 제목으로 자연과학분야 SCI급 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.860)’지 12월 2일(한국시간)자 온라인판에 게재됐다. 

일반적으로 에너지가 아무리 커도 빛 알갱이(광자) 한 개는 전하 운반입자(캐리어) 한 쌍만 발생시킬 수 있다.

캐리어 증폭 시 에너지 변화 모식도 / 자료이미지=IBS
캐리어 증폭 시 에너지 변화 모식도 / 자료이미지=IBS

여분의 에너지는 열로 방출되는 까닭에 태양광을 전기로 전환하는 데 이론적인 한계로 작용했다.

다만, 특정 조건에서는 발생한 캐리어의 여분 에너지가 두세 쌍 이상의 캐리어를 추가로 발생시키는 ‘캐리어 증폭’ 현상이 일어난다. 이는 태양전지 효율을 크게 높일 열쇠로 주목받아 왔다.

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

전이금속 칼코젠 화합물은 쉽게 원자층을 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 3년간의 시행착오 끝에 매우 정밀한 기상화학증착을 이용해 전이금속 칼코젠 화합물 중에서 광변환 효율이 좋은 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)와 텅스텐디셀레나이드(WSe2)를 대면적으로 합성하는 데 성공했다.

기상화학증착이란, 진공상태에서 서로 다른 화합물 증기를 주입해 그 반응을 이용하는 박막 형성법이다. 

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

초고속 분광법이란, 펨토(femto)초 즉, 1천조 분의 1초 동안 지속되는 레이저를 이용한 분광법으로 카메라 셔터스피드가 빠를수록 빠른 물체를 포착할 수 있는 것처럼, 짧게 지속하는 레이저는 더 빠른 자연현상을 포착할 수 있다.

캐리어의 수명은 펨토초 수준으로 매우 짧은데다 연쇄적으로 발생하기 때문에, 이를 효과적으로 추출하기 위해서는 적절한 분광법이 필요하다.

먼저 아주 짧게 지속하는 펨토초 레이저로 캐리어를 1차로 발생시킨 다음, 시간차를 두고 여분의 에너지가 여러 쌍의 캐리어로 전환되는 과정을 별개의 레이저로 관측했다. 이때 캐리어와 레이저가 상호작용하는 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 높다.

현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커, 빛에서 전기로 변환되는 효율은 33.7%이다.

이영희 단장 / 사진=IBS
이영희 단장 / 사진=IBS

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

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.


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