<사진. 광전지 응용에서 스펙트럼 셰이퍼로 작용하는 실리콘 나노결정(큰 공)과 에르븀 이온(작은 공). 이 층은 고에너지 자외선 광자를 저에너지 적외선 광자로 전환시킨다. 이러한 저에너지 적외선 광자는 밑에 있는 태양 전지에 의해 흡수됐다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

효율적인 태양 전지의 구현

태양 전지(solar cell) 시스템에서 실리콘 나노결정(silicon nanocrystal)과 에르븀 이온(erbium ion)의 적용은 태양 스펙트럼의 일부인 고에너지의 자외선(UV; ultraviolet)으로부터 보다 더 많은 에너지를 추출할 수 있도록 도움을 줄 것으로 기대된다. FOM 재단(Fundamental Research on Matter Foundation) 소속의 실험 물리학자, STW Technology Foundation 및 네덜란드 암스테르담 대학(University of Amsterdam) 소속의 연구진으로 구성된 연구팀은 2014년 8월 13일 Nature Communications에 이와 관련된 새로운 연구 결과를 발표했다.

상용 실리콘 기반의 태양 전지가 자외선 빛을 흡수할 때, 에너지의 상당수는 열의 형태로 소실된다. 연구팀은 이러한 과도한 에너지가 다수의 에르븀 이온을 여기시키는데 이용될 수 있다는 것을 보여 주었다. 에르븀 이온의 여기는 이온이 이후 전기로 전환될 수 있는 일광을 배출할 수 있도록 해준다.

상용 태양 전지는 일광 스펙트럼의 작은 부분만을 전기로 효율적으로 전환할 수 있다. 저에너지를 가지는 일광 입자(low-energy light particle)의 광자(photon)는 흡수되지 않으며, 흡수되지 않은 광자는 태양 전지를 만드는 재료의 밴드갭에 브리지를 형성하는 데 충분한 에너지를 가지지 못하기 때문에 전환 효율이 낮다. 반대로 높은 에너지의 광자는 흡수될 수 있지만, 10~12초 내에 에너지의 대다수가 열로 전환된다. 그 결과 최대 효율은 단 30%를 넘지 못하고 있다.

반도체에서 자유 전하 운반자의 일광으로 유발된 생성은 광검파(photodetection)와 광전지의 물리학적 근간을 이루고 있다. 효율을 극대화하기 위하여, 광자의 에너지는 이러한 목적을 위하여 완전하게 이용되어야만 한다. 고에너지 광자의 흡착에 의해 생성되는 열 운반자의 초고속 열운동화(thermalization)는 전환 효율을 증대시키는 데 상당한 걸림돌이 되고 있다. 열운동화는 열 생성으로 이어져, 효율성을 소실하게 한다. 이것을 피하기 위하여 광전지 열 전달자 전지(photovoltaic hot-carrier cell)가 조사됐다.

이 연구에서 실리콘 나노결정과 에르븀 이온의 결합을 이용하여 적외선 광자의 배출에 의한 열 전달자의 과도한 에너지에 대한 광학적 추출을 고려했다. 연구진은 에르븀 이온에 의한 적외선 광장의 외부 양자 수율(quantum yield)을 결정했으며, 열 전달자의 냉각이 에르븀과 관련이 있는 외부 양자 수율 증가에서 유발됐다는 것을 증명했다.

1. 신속하고 효율적인 태양 전지의 구현
Saba Saeed와 그녀의 동료 연구진은 최근 이러한 고에너지 자외선 광자(high-energy UV photon)에 포함되어 있는 에너지를 보다 더 잘 이용함으로써, 전환 효율(conversion efficiency)이 증가될 수 있는 가능성이 있다는 것을 보여주었다. 고에너지 광자에 포함되어 있는 에너지를 효과적으로 이용하는 것은 이산화규소(silicon dioxide), 실리콘 나노결정(1 미터의 1/10억에 해당하는 크기의 입자)으로 이루어진 층과 에르븀 이온에서 달성된 것이다. 실리콘 나노결정은 열로 소실되기 전에 자체적인 과도한 에너지를 에르븀 이온에 전달한다. 이것은 여분의 전기를 생산할 수 있는 흡수된 고에너지 광자 당 몇 개의 저에너지 적외선 광자(low-energy infrared photon)의 배출로 이어진다. 일광 집중 장치(sunlight concentrator)와 비교했을 때, 때때로 에르븀과 같은 희토류 금속(rare-earth metals)을 이용하여 제조되는 이 기술은 보다 더 우수한 효율의 전망을 보유하고 있다.

2. 스펙트럼 셰이퍼(Spectral shaper)
공정이 실험적으로 증명된 한편, 이러한 기술은 광전지 제작(photovoltaic architecture, solar cell)에서 아직까지 사용되지 않았다. 미래에, 실리콘 나노결정 층과 에르븀 이온은 효율성을 강화하기 위하여 스펙트럼 셰이퍼(spectral shaper)로서 태양 전지의 상층에 배치될 수 있다. 스펙트럼 셰이퍼는 고에너지 자외선 광자를 몇 개의 저에너지 광자로 전환할 수 있다. 몇 개의 저 에너지 광자는 이후 태양 전지에서 전기를 생성하는 데 사용될 수 있다.

추적 연구는 실리콘 나조결정의 크기와 공간 및 희토류 금속 이온의 유형과 농도를 변형하고, 층 두께를 최적화함으로써 전환 층을 추가적으로 강화하는 데 초점을 맞추게 될 것이다. 또 새로운 스펙트럼 셰이퍼가 모든 태양 전지를 덮고 있는 반사방지 코팅 층에 통합될 수 있는지 여부가 조사될 계획이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr