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IBS, 태양전지 효율 한계 극복할 '하이브리드 태양전지' 개발

2019-08-12기사 편집 2019-08-12 14:01:46

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첨부사진1[그림1] 연구진이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지의 모습. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹은 구조다. 그림=IBS 제공

국내연구진이 태양전지의 효율 한계를 극복할 '하이브리드 태양전지'를 개발했다.

12일 기초과학연구원(IBS)에 따르면 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영·이효철 부연구단장 연구팀은 박남규 교수팀(성균관대)과 공동연구를 통해 세계 최초 페로브스카이트를 이용한 핫전자 태양전지를 개발했다.

태양전지의 효율이 이론적 최대 효율(쇼클리-퀘이서 한계)에 다다름에 따라 핫전자 기반 태양전지가 차세대 에너지 전환 소자로 주목받았다. 핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로, 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체다. 기존 태양전지와 달리 핫전자 기반 태양전지는 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다. 문제는 핫전자가 수 피코 초(ps·1조 분의 1초)만에 소멸하고 확산거리가 수십 나노미터(㎚)에 불과해 포집이 어렵다는 점이다. 연구진은 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점에 착안했다. 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 나노 다이오드를 제작, 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다.

이 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 핫전자, 즉 광(光)전류를 발생시켜 핫전자의 흐름(효율)이 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 최대 12배 증폭됐다. 연구진은 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 효율이 향상됐다고 설명했다. 또 핫전자가 금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 발생 2.87피코 초 만에 사라진 반면 페로브스카이트와 결합한 경우 62.38피코 초 가량 머물며 핫전자의 수명이 22배 가량 길어졌다.

박정영 부연구단장은 "향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발해나갈 계획"이라고 말했다.

연구성과는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 지난달 26일 온라인 판에 게재됐다.주재현 기자



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첨부사진2[그림2] 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지의 구조. 소자의 양 끝에 전극이 위치하며, 빛에너지 전환이 일어나는 활성영역은 가운데에 위치한다. 활성 영역은 250 ㎚의 이산화티타늄(TiO2) 박막 위에 30 ㎚의 금 나노 구조체가 증착돼 있으며, 그 위는 40 ㎚에서 70 ㎚ 사이의 페로브스카이트(MAPbI3) 박막이 덮여 있다. 그림=IBS 제공

첨부사진3[그림3] 페로브스카이트와 금 나노구조의 결합으로 증폭된 광전류 측정 페로브스카이트가 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 금 나노 구조체와 있을 때, 그렇지 않은 구조에 비해 모든 광 에너지 영역에서 더 높은 광전류전환 효율을 나타내고 있다. 전체 흐르는 광전류는 페로브스카이트 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 5-12배 증폭됐다. 그림=IBS 제공

첨부사진4[그림4] 제작된 나노 다이오드 구조에서의 핫전자 수명 측정. 페로브스카이트와 금 나노 구조체가 결합됐을 때 훨씬 더 긴 수명을 가진 핫전자가 흐른다는 것을 나타낸다.그림=IBS 제공

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