국내 연구진, 페로브스카이트에 나노 다이오드 결합..'핫 전자' 활용
                                                             페로브스카이트 기반 핫 전자 태양전지 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

 

 

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.

                                                            페로브스카이트 기반 핫 전자 태양전지 구조 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]
 

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.

 

 

 
페로브스카이트와 금 나노구조 결합으로 증폭된 광전류 측정 [IBS 제공. 재판매 및 DB 금지]

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, 2019년 8월 12일)

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