빛은 강하게, 전하는 천천히…태양광 효율 높일 새 반도체

영국 옥스퍼드대학교 연구팀이 태양광 에너지 수확의 핵심 한계를 극복한 새로운 반도체 물질을 발견했다.

28일(현지시간) 옥스퍼드대학교 연구팀은 국제학술지 '네이처'를 통해 이 같은 연구 결과를 발표했다.

태양전지는 빛을 강하게 흡수하는 소재일수록 포집된 빛을 전기로 바꾸는 효율이 떨어지는 한계를 지닌다. 빛 에너지를 받아 생성된 전자와 정공이 서로 만나 소멸하기 전에 수집해야 전기를 생산할 수 있는데, 빛 흡수율이 높을수록 전하 소멸 속도도 빨라지기 때문이다.

연구팀은 '황화비스무트'라는 반도체가 이러한 상충 관계를 비껴간다는 사실을 발견했다. 이 물질은 특이한 에너지 준위 배열을 가져 빛을 강하게 흡수하면서도 전하 소멸 속도는 훨씬 느린 특성을 보였다.

연구팀은 이를 '유사 직접 반도체'로 명명했다. 황화비스무트는 빛을 흡수하는 강력한 경로 바로 아래에 에너지가 약간 낮은 두 번째 경로를 가지고 있다. 전하가 이 저에너지 상태에 머무는 시간이 길어지면서 일시적인 '저장소' 역할을 해 소멸 속도를 늦추는 원리다.

연구팀의 측정 결과, 이 구조 덕분에 상온에서 황화비스무트의 전하 손실률은 빛을 비슷하게 흡수하는 기존 소재보다 약 75% 감소했다.

연구를 이끈 로라 허츠 옥스퍼드대 물리학과 교수는 "이번 연구는 기존 반도체의 속성을 개선하는 것을 넘어 반도체가 작동하는 다른 방식을 찾아냈다는 점에서 특히 흥미롭다"고 말했다.

연구팀은 이번 발견이 더 효율적인 태양전지 설계의 새로운 원리가 될 수 있다고 설명했다. 다만 이번 연구는 물리적 메커니즘을 입증한 단계로, 실제 태양전지 기술로 상용화하기 위해서는 추가 연구가 필요하다고 덧붙였다.