CWN(CHANGE WITH NEWS) - 이영희 성균관대 HCR석좌교수, 사이언스지 논평 게재

[CWN 최한결 기자] 그동안 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 다양한 태양전지 재료를 사용해 왔지만 과연 단일물질에서 열역학적 한계인 태양전지효율 34%를 넘어설 수 있을까?

성균관대는 이영희 HCR 석좌교수가 2일 국제학술지 사이언스(Science, IF 56.9) 내 ‘전문가의 목소리’ 코너를 통해 태양전지 효율 개선에 관한 현주소와 나아가야 할 길을 짚어보는 논평을 게재했다고 5일 밝혔다.

전문가의 목소리는 세계 과학계에 반향을 일으키고 있는 분야를 선정해 이 분야를 선도하고 있는 연구자의 의견을 듣는 코너다.

태양은 가시광선 이외에도 적외선, 자외선 등 다양한 빛에너지를 방출하며 이중 지구 표면에 단위면적당 평균 0.1 와트(~0.1W/cm2)가 도착한다.

지속 가능한 빛에너지를 전기로 전환하면 푸른 지구 환경을 개선하는 데 쓸 수 있다. 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지는 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 반도체 재료를 사용한다.

예를 들면 실리콘을 이용한 p-n 접합 소자에 빛에너지를 조사시키면 전자를 여기시켜 전자-홀쌍을 만들고 p-n 접합에 이미 형성된 전압 때문에 전자와 홀을 분리시켜 광전류(전기에너지)를 만든다.

태양광이 입사하면 열손실 (30%), 투과도 (25%) 등으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 밴드갭이 1.3eV인 경우 이론적으로 쇼클리-퀘이저 한계인 최대 34% 태양전지효율을 구현할 수 있지만, 지금까지 실험적으로 단일물질에서 30% 이상의 태양전지효율을 보인 적은 없다.

태양전지 흡수체의 열손실을 회복시켜 과연 쇼클리-퀘이저 열역학적인 한계를 극복할 수 있을까? 여기에는 캐리어 증폭과 핫캐리어 추출의 두 가지 전략을 생각할 수 있다.

2배 이상의 밴드갭을 가진 빛에너지로 여기시킬 때 흡수체 내에서 전자-전자 산란이 크거나 전자-포논 결합이 약하면 열손실없이 에너지보존법칙에 의해 전자-홀쌍을 추가적으로 발생해 광전류를 증폭시켜, 결과적으로 태양전지효율을 이론적으로 44%를 구현할 수 있다.

더 나아가 높은 빛에너지로 여기시킬 때 열손실이 발생하기 전에 높은 에너지를 가진 전자를 전극으로 추출하면 태양전지의 작동전압을 증가시켜 태양전지효율을 이론적으로 67%까지 올릴 수 있다.

보통 기존 물질에서는 캐리어-캐리어 산란이 너무 약하고 엑시톤 결합에너지가 낮아 캐리어 증폭과 핫캐리어 현상을 볼 수 없다. 그동안 PbSe, CdSe, Si 등의 양자점에서, 양자구속효과를 이용해 캐리어-캐리어 산란을 증가시켜 캐리어 증폭을 만들 수 있었다.

하지만 양자점을 필름으로 만들 경우 광흡수도가 선택적이고 전극저항이 커서 태양전지효율을 개선하는 데는 한계가 있었다.

차세대 태양전지 물질로 MoTe2, WSe2 등과 같은 이차원 반데르발스 반도체물질이 최근 각광을 받고 있다. 특히 2배 이상의 밴드갭을 갖는 빛에너지를 조사하면 광효율을 200% 이상으로 증폭시켜 이상적인 태양전지물질이라는 것이 증명됐다.

이영희 교수는 “그래핀·반데르발스 반도체 이종접합과 터널링층을 사용하고 더 나아가 탠덤구조를 만들면 가장 이상적인 차세대 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 예견된다”며 “그래핀 및 반데르발스 반도체물질을 웨이퍼 크기의 필름으로 합성할 경우, 조만간 세상을 바꿀 태양전지가 나올 것”이라고 말했다.

CWN 최한결 기자
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