퍼듀 대학(Purdue University)과 국립 신재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 연구진은 태양전지의 효율을 두 배로 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

기존의 태양전지는 쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Queisser limit) 때문에 최대 효율의 1/3의 효율을 가진다. 이 새로운 재료는 무기 재료(요오드와 납)와 유기 재료(메틸-암모늄)을 가진 결정질 구조이고, 열에너지로 방출되는 일 없이 빛 에너지의 2/3를 운반할 수 있다. 그래서 이 재료는 상당한 비용 증가 없이 전기를 두 배로 생산할 수 있다.

이 신소재는 기존의 실리콘 태양전지보다 얇은 태양전지를 만들 수 있게 하고 저렴하고 유연하고 쉽게 제조할 수 있다.

인입 광자는 밴드갭보다 더 많은 에너지를 가질 수 있고, 이런 인해서 전자들에 여분의 에너지가 공급된다. 이런 전자들을 "핫 캐리어 (hot carrier)"라고 부르고, 이런 핫 캐리어 전자들은 에너지의 대부분을 열로 방출한다.

이번 연구진은 초고속 레이저와 현미경을 사용해서 핫 캐리어의 동작 범위 및 속도를 추적할 수 있는 새로운 기술을 개발했다. 새로운 페로브스카이트 재료는 태양전지를 약 200 나노미터의 두께로 만들 수 있기 때문에, 이런 핫 캐리어가 실리콘보다 2 배 더 긴 약 100피코초(picosecond) 동안 존재할 수 있다.

이번 연구에서 납이 사용되었는데, 향후 연구에서는 독성이 적은 다른 금속으로 대체해야 할 것이다. 또한 핫 캐리어를 추출하기에 적합한 접촉 재료 또는 구조를 찾거나 개발해야 할 것이다.

화석 연료의 연소로 인해서 CO2, 미세 먼지 등의 유해한 가스들이 발생하는데, 이것을 대체할 수 있는 것이 태양전지로 인한 전기 생산이다. 그러나 높은 비용과 낮은 효율로 인해서 많이 적용되지 못하고 있다. 2013년의 통계자료에서, 세계 전력망의 약 1%만이 태양전지판에서 생산된다. 이번 연구에서, 태양전지의 효율을 2 배로 향상시킬 수 있는 새로운 길을 열어주었는데, 이런 연구로 인해서 더 청정한 에너지를 더 저렴하게 생산할 수 있기를 기대해 본다.

이 연구결과는 저널 Science에 "Long-range hot-carrier transport in hybrid perovskites visualized by ultrafast microscopy" 라는 제목으로 게재되었다(DOI: 10.1126/science.aam7744).