태양광 패널의 효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 신소재의 작동 원리가 밝혀졌다.

네덜란드 흐로닝언대학교 연구팀은 19일(현지시간) 국제학술지 'ACS 에너지 레터스'에 특정 주석 기반 신소재가 '뜨거운 전자'의 열을 기존보다 1000배 더 오래 가둘 수 있는 원리를 규명했다고 발표했다.

태양광 패널은 햇빛의 광자가 전자를 자극해 전기를 생산한다. 특히 에너지가 높은 광자는 더 많은 전기를 생산할 수 있는 '뜨거운 전자'를 만들지만, 이 전자들은 포획되기 전에 열에너지로 식어버려 효율에 한계가 있었다.

이 때문에 태양광 패널의 에너지 전환 효율은 이론적으로 33%를 넘지 못한다는 것이 정설이었다.

연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션과 실험을 통해 두 가지 물리적 효과가 복합적으로 작용한다는 사실을 밝혀냈다. 첫째는 '핫 포논 병목'(hot phonon bottleneck) 효과다.

전자 주변 환경이 빠르게 뜨거워지면서, 식어가던 전자가 다시 열에너지를 재흡수해 뜨거운 상태를 더 오래 유지하는 원리다.

둘째는 '버슈타인-모스'(Burstein-Moss) 효과다. 뜨거운 전자가 식으면서 물질 내 가장 낮은 에너지 상태부터 채워나가 일종의 '원자 교통체증'을 유발한다. 이로 인해 다른 뜨거운 전자들이 빠르게 식지 못하고 고에너지 상태를 유지하게 된다.

연구팀은 논문에서 "이러한 전자적, 음향적, 화학적 기준이 동시에 충족되면서 실용적인 장치에 필요한 초장시간 냉각이 가능해졌다"고 설명했다. 이번 연구는 향후 33%의 효율 한계를 넘어설 고효율 태양광 패널 개발의 토대가 될 전망이다.