태양전지 효율 33.7%에서 46%까지 끌어 올린다

태양광전지. 게티이미지
[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 현재 상용화된 태양전지의 에너지전환 효율 한계인 33.7%늘 넘어 46%까지 향상시킬 수 있는 방법을 찾았다. 빛의 입자 하나를 여러개의 전기를 띈 입자로 변환할 수 있는 것이다. 이번 연구 결과를 통해 향후 실리콘 태양전지의 전기전환 효율을 높이고 잘 구부러지는 태양전지로 활용까지 가능할 것으로 보인다.

기초과학연구원(IBS)은 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구진이 빛 에너지에 비례해 전기를 만들어내는 양이 늘어나는 원자층 수준으로 얇은 2차원 물질을 개발했다고 2일 밝혔다.

이영희 단장은 "가볍고 우수한 빛 흡수력과 뛰어난 내구성, 유연성 때문에 향후 플렉서블 태양전지의 상용화까지 기대할 수 있다"고 말했다.

일반적으로 태양광을 전기로 전환할때 빛 알갱이 하나 이외의 남은 에너지는 열로 방출돼 일정량만 사용하는 한계가 있다. 여분의 에너지가 열로 방출되는 대신 100%에 가까운 에너지 전환이 가능한 2차원 물질이 이론상으로만 예측했을뿐 지금까지 관측된 적은 없다. 이는 2차원 소재로 합성하는데 어려웠기 때문이다.

연구진은 열로 방출되는 에너지까지 전기로 전환할 수 있는 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. 연구진은 3년간의 시행착오 끝에 전이금속 칼코젠 화합물 중에서 광변환 효율이 좋은 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)와 텅스텐디셀레나이드(WSe2)를 대면적으로 합성하는 데 성공했다.

현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커, 빛에서 전기로 변환되는 효율은 33.7%가 한계다.
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"고 말했다.

네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 이번 연구는 국제학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'에 2일(한국시간) 온라인 게재됐다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자