이번 주 ‘사이언스’ 표지에는 기하학적인 공간 안에 머무르고 있는 파랗고 까만 구(球) 모양의 도형이 등장했다.

이는 차세대 유망전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지 결정 내부를 형상화한 모습이다. 파란 구는 전자, 검은 구는 정공을 의미한다.

요하네스 리처 영국 케임브리지대 교수가 이끌고 영국 옥스퍼드대, 네덜란드 원자분자물리학연구소 등이 참여한 국제 공동연구진은 페로브스카이트 전지에 유입된 광자를 재활용(Photon recycling) 할 수 있는 가능성을 개발했다고 ‘사이언스’ 3월 25일자에 발표했다.

페로브스카이트는 태양전지 분야에서 혁명을 일으킬 것으로 각광받고 있는 차세대 태양전지다. 2012년 처음 개발된 뒤 이듬해인 2013년 ‘사이언스’가 선정한 올해의 혁신적인 기술 중 하나로 선정되기도 했다.

개발 5년 만에 ‘마의 효율’이라 부르는 20% 넘기는 등 빠르게 발전하며 현재 사용되고 있는 실리콘 기반의 태양전지와 효율이 비등한 수준으로 성장했다.

페로브스카이트 태양전지가 태양빛을 받아 광자를 흡수하면 전자와 정공이 형성된다. 움직임이 자유로운 전자와 정공이 흐르는 과정이 전류다. 하지만 동시에 전지 내부에서는 정반대로 전자와 정공이 다시 결합되는 과정이 일어나며 광자를 형성하기도 한다.

연구팀은 전지 내부에서 생성되는 광자를 다시 전류를 만들기 위한 재료로 사용할 수 있다는 가능성을 밝혔다. 이를 실험하기 위해 연구진은 500㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 두께의 페로브스카이트 필름 내부에 빛을 발하는 레이저를 설치한 후 빛의 이동 경로를 통해 광자의 움직임을 살폈다.

연구팀은 빛이 발사되는 위치에서는 근적외선에 가까운 높은 에너지 준위의 빛이 나오지만, 거리가 멀어질수록 에너지 준위가 낮은 빛이 존재한다는 사실을 알아냈다. 에너지가 낮은 빛은 멀리 전달되는 반면, 높은 에너지의 빛은 재활용하지 않으면 전달되지 않기 때문에 전류를 만드는 데 사용되지 않는다는 것이다.

이를 통해 연구진은 페로브스카이트 전지 내부에 있는 광자와 외부에서 새로 유입되는 광자를 모두 사용하면 기존보다 효율을 획기적으로 높일 수 있다고 제안했다. 또 이런 원리는 태양전지뿐 아니라 발광다이오드(LED)에도 사용할 수 있다고 밝혔다.

요하네스 교수는 “광자 재활용을 통해 기존 실리콘 전지로는 구현할 수 없었던 양질의 전지를 만들 수 있을 것”이라며 “이 원리를 이용해 후면전극 태양전지를 개발하면 더 먼 거리까지 입자를 전달할 수 있어 효율을 한층 더 높일 수 있다”고 말했다.(Dongascience)