[아시아경제 김철현 기자] 기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장과 이효철 부연구단장 연구팀이 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 '핫전자' 태양전지를 개발했다고 12일 밝혔다.
연구팀에 따르면 핫전자는 빛 에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자로, 태양광을 전기에너지로 전환하는데 사용되는 매개체다. 흡수한 빛 에너지가 상당량 손실되며 전기에너지로 전환되는 기존 태양전지와 달리 핫전자 기반 태양전지는 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다.
문제는 핫전자가 수 피코 초(1조 분의 1초)만에 소멸하고 확산 거리가 수십 나노미터(10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점이다. 연구진은 이 문제를 해결할 열쇠로 '페로브스카이트' 소재에 주목했다. 페로브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점에 착안한 것이다.
연구진은 이산화티타늄 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 '나노 다이오드'를 제작하고, 그 위에 페로브스카이트 소재를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다. 개발된 페로브스카이트 핫전자 태양전지는 페로브스카이트만 단독으로 있을 때와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미다. 연구진은 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 '국소 표면 플라즈몬 공명 현상'으로 인해 효율이 향상되는 것이라고 설명했다.
박정영 부연구단장은 "향후 핫전자의 소멸 및 포집시간을 조절해 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지를 개발해나갈 계획"이라며 "핫전자는 차세대 친환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것"이라고 했다. 이번 연구성과는 국제학술지 나노 레터스 온라인 판에 최근 게재됐다.
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