<사진. 빛이 펜타센의 의해 흡수되면, 생성된 단일 엑시톤은 빠르게 분열하여 무기 나노결정으로 효율적인 에너지 전이가 가능한 삼중(triplets) 상태가 된다.
출처. KISTI 미리안>

태양전지 효율의 한계를 극복할 하이브리드 나노물질

다크 스핀-삼중 엑시톤(dark spin-triplet exciton)으로 알려진 입자에 의해 운반되는 에너지를 100% 효율에 근접하게 수확할 수 있는 새로운 방법이 개발됨으로써, 현재의 효율 한계를 능가하는 하이브리드 태양전지(hybrid solar cell)의 개발 가능성을 크게 높여주고 있다.

영국 케임브리지대학(University of Cambridge) 연구팀은, 태양전지에서 에너지 수확에 이용되는 여기된 전자상태인 삼중 엑시톤의 에너지를 성공적으로 수확하였으며, 유기반도체에서 무기반도체로 전이시켰다. 지금까지 이런 종류의 에너지 전이는 스핀-단일(spin-singlet) 엑시톤에서만 가능한 것으로 알려졌었다. 본 연구결과는 Nature Materials ("Resonant energy transfer of triplet excitons from pentacene to PbSe nanocrystals")지에 게재되었다.

자연에서 엑시톤은 광합성의 핵심 요소이다: 빛의 광자는 색소(pigment)에 의해 흡수되어 엑시톤을 생성하는데, 이 엑시톤이 식물 전체에 걸쳐 관련된 에너지를 운반하는데 관여한다. 동일한 프로세스가 태양전지에도 적용된다.

실리콘과 같은 전형적인 반도체에서, 한 개의 광자가 흡수되면 전류로서 나타날 수 있는 자유전자 한 개를 형성한다. 그러나 유기 반도체의 일종인 펜타센(pentacene)의 경우, 한 개의 광자가 흡수되면 두 개의 전자를 생성한다. 그러나 이런 전자들은 자유롭지 못하며 ‘dark’ triplet exciton 상태로 구속되어 있기 때문이다.

엑시톤은 스핀-단일(spin-singlet) 상태와 스핀-삼중(spin-triplet) 상태로 나뉜다. 스핀-단일 엑시톤은 밝고 그 에너지는 태양전지에서 수확하기에 상대적으로 직접적이다. 반면 삼중-스핀 엑시톤은 어둡고 전자 스핀을 형성하는 방식이 엑시톤으로부터 에너지를 수확하기 어렵게 되어 있다.

더 나은 태양전지를 제조하기 위한 핵심은 이런 다크 삼중 엑시톤으로부터 전자를 추출하는 능력이다. 만약 펜타센과 같은 물질을 기존의 실리콘과 같은 반도체 물질과 결합시킬 수 있다면, 태양전지의 효율한계를 극복하는 돌파구가 될 것이라고 본 연구의 저자인 Maxim Tabachnyk은 밝혔다.

정교한 펨토초 레이저 분광기(femtosecond laser spectroscopy) 기술을 사용하여, 연구팀은 삼중 엑시톤이 무기 반도체로 직접 전이될 수 있음을 발견하였으며, 그 전이효율은 95% 이상이었다. 일단 무기물질로 전이되면, 삼중 엑시톤의 전자는 손쉽게 제거할 수 있다.

저렴하고 가공이 쉬운 유기 반도체의 장점과 고효율의 무기 반도체를 결합하면, 실리콘과 같은 무기물질로 만들어진 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것이다.

연구팀은 이제 스핀-삼중 엑시톤의 에너지 전이에 대한 발견을 다른 유기/무기 시스템에 어떻게 확대할 것인지와, 실리콘 태양전지의 전화효율을 극대화하기 위한 저렴한 유기 코팅(organic coating)을 개발하고 있다.

본 연구는 기후변화 및 재생에너지와 같은 문제를 해결하기 위한 물리과학 분야의 하이테크 지식을 활용하기 위한 더 넓은 이니셔티브의 일환으로 진행되었다. 본 이니셔티브는 영국 공학 및 자연과학 연구협의회(Engineering and Physical Sciences Research Council, EPSRC) 등으로부터 지원을 받았다.

■ KISTI 미리안 http://mirian.kisti.re.kr