솔라셀 혁명 눈앞...광전효율 44% 물질 개발

빛을 에너지로 전환하는 광전효율을 비약적으로 높인 3세대 태양전지 시대가 눈앞으로 다가왔다.

미국의 과학자들이 빛과 부딪칠 때 지금까지와 달리 하나가 아닌 두개의 전자를 방출하는 반도체 결정물질을 개발했다. 이를 이용한 솔라셀을 만들면 빛을 전기로 바꾸는 비율을 뜻하는 이른바 광전효율(光電效率果)이 이론상의 한계인 31%보다 높은 44%까지 훨씬 올라가게 된다.

과학자들은 향후 5년내 이를 이용한 솔라셀을 상용화할 것으로 내다봤다.

씨넷은 17일(현지시간) 2개의 과학자그룹이 지난 주 일반적으로 열로 방출돼 사라지는 태양에너지의 일부를 잡아내는 이같은 혁신적 기술상의 진전을 확인해 보고했다고 보도했다. 세계적 과학잡지 사이언스지는 최신호에서 미국립재생에너지연구소(NERL) 과학자들은 크기가 수 노미터에 불과한 양자점(quantum dot)이라 불리는 작은 결정물질을 개발했다고 밝혔다. 이 물질은 현재 일반적으로 사용되는 솔라셀과 달리 높은수준의 에너지 광자를 포착해 내는 능력을 가지고 있다.

씨넷은 와 별도로 미 텍사스오스틴대의 또다른 연구팀도 광자(photon)로부터 만들어지는 전자의 수를 두배로 만들수 있는 반도체물질을 개발했다고 전했다.

보도에 따르면 적으로 열 쓰레기로 사라지는 이른 바 ‘열전자(heat ectron)'을 포착하는 것은 44%의 광전효율을 약속한다. 주 샤오양 텍사스대 화학교수에 따르면 오늘날 일반적으로 솔라셀의 이론적 한계는 31%로 알려지고 있다.

전통적인 솔라셀에서 태양광속의 광자는 에너지를 전자로 바꾼다. 일단 빛에 의해 활성화된 전자는 반도체의 특정한 층에서 또다른 전자층으로 뛰어오른다. 하지만 광자 하나에 하나의 전자만이 나온다. 이른바 광전효과다.

하지만 이번에 솔라셀 분야의 기술혁신을 예고한 이 두 그룹의 연구진들은 광자가 솔라셀을 때릴 때 하나 이상의 전자를 만들어내는 이른 바 다중여기자(勵起子)발전((Multiple ExcitonGeneration MEG)로불리는 현상을 이용하려고 노력하고 있다.

과학자들이 이 과정을 잘 이용하면 빛의 자외선과 적외선스펙트럼에 있는 높은 에너지광자에서 요용한 에너지를 끌어낼 유용한 물질을 만들수 있다. 하지만 사이언스지에 따르면 지금까지 이런 유용한 솔라셀용 디바이스를 만들기 어려웠다.

대표 논문저술저자인 매트 비어드 수석과학자는 “양자점을 광흡수물질로 사용하면 더 나은 높은 광자 전력전환효율을 얻을 수 있다”고 말했다. 하지만 솔라셀의 전반적인 효율성을 얻기 위해서는 더욱더 개선이 필요하며 양자점 솔라셀이 상업화되려면 적어도 5년은 걸릴 것이라고 그는 말했다.

텍사스대 연구팀은 플라스틱반도체인 펜타신(pentacene) 속에서 이러한 다중여기자발전(MEG)을 위한 상태를 연구했는데 이 반도체는 솔라셀을 훨씬 값싸게 만들도록 해 줄 전망이다.

주박사는 “분자설계및 중합을 위한 엄청난 능력들과 결합한 우리의 발견은 솔라셀에너지 전환에 있어서 놀랍도록 새로운 접근 방법에의 문을 열어 훨씬더 높은 수준의 광전효율을 이끌 것”이라고 말했다.