이영희 교수, “효율한계를 극복할 차세대 태양전지 세상 도래할 것”

- 이영희 성균관대 HCR석좌교수, 사이언스(Science) 지 논평 게재

- 그래핀/반데르발스 반도체 접합을 이용한 차세대 핫캐리어 태양전지 제시

그동안 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 다양한 태양전지 재료를 사용해 왔지만, 과연 단일물질에서 열역학적 한계인 태양전지효율 34%를 넘어설 수 있을까?

물리학과 이영희 HCR 석좌교수(나노구조물리연구단장)는 3월 2일 국제학술지 사이언스(Science, IF 56.9)의 전문가의 목소리(Expert Voices) 코너를 통해 태양전지 효율 개선에 관한 현주소와 나아가야 할 길을 짚어보는 논평을 게재했다. 전문가의 목소리는 세계 과학계에 반향을 일으키고 있는 분야를 선정해 이 분야를 선도하고 있는 연구자의 의견을 듣는 코너이다.

태양은 가시광선 이외에도 적외선, 자외선 등 다양한 빛에너지를 방출하며, 이중 지구 표면에 단위면적당 평균 0.1 와트(~0.1 W/cm2)가 도착한다. 지속 가능한 빛에너지를 전기로 전환하면 푸른 지구 환경을 개선하는 데 쓸 수 있다. 빛에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지는 실리콘, 유기물, 고분자, 페로브스카이트 등 반도체 재료를 사용한다. 예를 들면, 실리콘을 이용한 p-n 접합 소자에 빛에너지를 조사시키면 전자를 여기시켜 전자-홀쌍을 만들고, p-n 접합에 이미 형성된 전압 때문에 전자와 홀을 분리시켜 광전류(전기에너지)를 만든다. 태양광이 입사하면 열손실 (30%), 투과도 (25%) 등으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 밴드갭이 1.3 eV인 경우, 이론적으로 쇼클리-퀘이저 한계인 최대 34% 태양전지효율을 구현할 수 있지만, 지금까지 실험적으로 단일물질에서 30% 이상의 태양전지효율을 보인 적은 없다.

태양전지 흡수체의 열손실을 회복시켜 과연 쇼클리-퀘이저 열역학적인 한계를 극복할 수 있을까? 여기에는 캐리어 증폭과 핫캐리어 추출의 두 가지 전략을 생각할 수 있다. 2배 이상의 밴드갭을 가진 빛에너지로 여기시킬 때, 흡수체 내에서 전자-전자 산란이 크거나 전자-포논 결합이 약하면 열손실없이 에너지보존법칙에 의해 전자-홀쌍을 추가적으로 발생하여 광전류를 증폭시켜, 결과적으로 태양전지효율을 이론적으로 44%를 구현할 수 있다. 더 나아가, 높은 빛에너지로 여기시킬 때 열손실이 발생하기 전에 높은 에너지를 가진 전자를 전극으로 추출하면 태양전지의 작동전압을 증가시켜 태양전지효율을 이론적으로 67%까지 올릴 수 있다.

보통 기존 물질에서는 캐리어-캐리어 산란이 너무 약하고 엑시톤 결합에너지가 낮아 캐리어 증폭과 핫캐리어 현상을 볼 수 없다. 그동안 PbSe, CdSe, Si 등의 양자점에서, 양자구속효과를 이용하여 캐리어-캐리어 산란을 증가시켜 캐리어 증폭을 만들 수 있었다. 하지만, 양자점을 필름으로 만들 경우, 광흡수도가 선택적이고 전극저항이 커서 태양전지효율을 개선하는 데는 한계가 있었다.

차세대 태양전지 물질로 MoTe2, WSe2 등과 같은 이차원 반데르발스 반도체물질이 최근 각광을 받고 있다. 특히 2배 이상의 밴드갭을 갖는 빛에너지를 조사하면 광효율을 200% 이상으로 증폭시켜 이상적인 태양전지물질이라는 것이 증명되었다. 반데르발스물질은 필름으로 존재하고 전도도가 높은 장점이 있지만 쇼트키장벽이 높아 여전히 효율 개선에 제한이 있다. 그럼에도 불구하고 반데르발스물질은 효율한계를 극복하여 차세대 태양전지를 구현할 가능성이 높다. 또한 그래핀은 반데르발스물질이면서 핫캐리어물질로 잘 알려져 있다. 그렇지만 흡수도가 ~3%로 낮고 금속이어서 직접 태양전지 흡수체로 쓰기는 어려웠다.

이영희 교수는 그래핀과 반데르발스 반도체 물질을 이종접합하면 차세대 태양전지를 구현할 수 있을 것이라고 예측했다. 이종접합은 그래핀의 핫캐리어와 반데르발스 반도체의 높은 광효율을 쓰는 이득 이외에도, 이종접합시 결함을 최소화하여 캐리어 재결합 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다. 더 나아가 그래핀 핫캐리어를 효율적으로 전극으로 추출하기 위해서 산화물과 같은 터널링 층을 도입하는 것을 제안하고 있다. 일반적으로 산화물은 트랩과 같은 장벽으로 작용하지만 두께가 나노미터로 얇으면 터널링 층의 역할을 한다. 예를 들어, 티타늄산화물의 경우 3가 및 4가 산화상태가 존재하고 그 관련 에너지 상태가 넓은 영역에 존재하여 광범위한 에너지 영역에서 핫캐리어를 추출할 수 있는 강점이 있어, 태양전지에서 높은 작동전압을 구현할 수 있다고 예측했다.

핫캐리어 태양전지의 이상적인 밴드갭은 0.7 – 0.9 eV이다. 좋은 소식은 이제까지 다양한 밴드갭을 가진 반데르발스 반도체 물질들이 존재한다는 것이다. 또 다양한 밴드갭을 가진 물질을 층상으로 텐덤구조를 만들면 이상적인 태양전지 흡수체를 만들 수 있다. 이 외에도 수직 결합구조를 사용하면 캐리어 확산길이가 짧아 트랩 유무에 관계없이 태양전지 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 장점이 있다.

이영희 교수는 “그래핀/반데르발스 반도체 이종접합과 터널링층을 사용하고 더 나아가 탠덤구조를 만들면 가장 이상적인 차세대 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 예견된다”며 “그래핀 및 반데르발스 반도체물질을 웨이퍼 크기의 필름으로 합성할 경우, 조만간 세상을 바꿀 태양전지가 나올 것”이라고 말했다.    

※ Expert Voices 제목: Beyond Schockley-Quisser Limit: Exploring New Frontiers in Solar Energy Harvest

※ 저자: 이영희