태양전지는 130%의 돌파구로 ‘불가능’을 해냈습니다.

에 발표된 연구에서 미국 화학 학회지 3월 25일, 일본 규슈 대학의 과학자들은 독일 요하네스 구텐베르크 대학(JGU) 마인츠의 공동 연구자와 협력하여 이 장벽을 뛰어넘을 수 있는 새로운 방법을 개발했습니다. 그들은 “스핀플립(spin-flip)” 이미터로 알려진 몰리브덴 기반 금속 복합체를 사용하여 일중항 핵분열(SF)을 통해 생성된 추가 에너지를 포착했습니다. 이는 종종 광 변환 개선을 위한 “꿈의 기술”로 설명됩니다.

이 접근 방식을 통해 팀은 기존의 100% 한계를 초과하고 보다 발전된 태양광 기술을 지향하면서 약 130%의 에너지 변환 효율을 달성했습니다.

태양전지의 작동 원리와 에너지가 손실되는 이유

태양전지는 햇빛의 광자가 반도체에 부딪혀 에너지를 전자에 전달하여 전자를 움직이게 하고 전류를 생성할 때 전기를 생산합니다. 이 과정은 에너지가 한 입자에서 다른 입자로 전달되는 릴레이와 비교할 수 있습니다.

그러나 모든 광자가 똑같이 유용한 것은 아닙니다. 저에너지 적외선 광자는 전자를 활성화할 만큼 에너지가 충분하지 않은 반면, 청색광과 같은 고에너지 광자는 여분의 에너지를 열로 잃습니다. 이 때문에 태양전지는 들어오는 햇빛의 약 1/3만 활용할 수 있습니다. 이 제약 조건은 Shockley-Queisser 한계로 알려져 있으며 여전히 주요 과제로 남아 있습니다.

단일항 핵분열은 에너지를 증폭시키는 방법을 제공합니다

규슈대학교 공과대학 부교수인 사사키 요이치(Yoichi Sasaki)는 “우리는 이 한계를 돌파하기 위한 두 가지 주요 전략을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. “하나는 저에너지 적외선 광자를 고에너지 가시 광자로 변환하는 것입니다. 다른 하나는 SF를 사용하여 단일 엑시톤 광자에서 두 개의 엑시톤을 생성하는 것입니다.”

정상적인 조건에서 각 광자는 여기 후 단 하나의 스핀-단일항 엑시톤을 생성합니다. SF를 사용하면 이 단일 엑시톤이 두 개의 저에너지 스핀-삼중항 엑시톤으로 분할되어 사용 가능한 에너지를 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다. 테트라센과 같은 특정 물질이 이 공정을 지원할 수 있지만 이러한 엑시톤을 효율적으로 포착하는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다.

FRET로 인한 에너지 손실 극복

“에너지는 곱셈이 일어나기 전에 Förster 공명 에너지 전달(FRET)이라는 메커니즘에 의해 쉽게 ‘도난’될 수 있습니다.”라고 Sasaki는 설명합니다. 따라서 우리는 핵분열 후 증폭된 삼중항 엑시톤을 선택적으로 포착하는 에너지 수용체가 필요했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 정밀하게 가공할 수 있는 금속 복합체로 눈을 돌렸습니다. 그들은 몰리브덴 기반의 “스핀플립(spin-flip)” 이미터를 효과적인 솔루션으로 확인했습니다. 이 시스템에서 전자는 근적외선을 흡수하거나 방출하는 동안 스핀을 변경하여 SF에서 생성된 삼중항 에너지를 포착할 수 있습니다.

에너지 수준을 신중하게 조정함으로써 팀은 FRET로 인한 손실을 최소화하고 증폭된 엑시톤의 효율적인 추출을 가능하게 했습니다.

협업과 실험적 성공

“JGU 마인츠의 Heinze 그룹이 없었다면 우리는 이 지점에 도달할 수 없었을 것입니다”라고 Sasaki는 말합니다. 큐슈대학 교환방문 그룹의 대학원생이자 논문의 두 번째 저자인 아드리안 사우어(Adrian Sauer)는 그곳에서 오랫동안 연구된 자료에 팀의 관심을 가져왔고 협력으로 이어졌습니다.

용액에서 테트라센 기반 물질과 결합하면 시스템은 약 130%의 양자 수율로 에너지를 성공적으로 수확했습니다. 이는 흡수된 모든 광자에 대해 약 1.3개의 몰리브덴 기반 금속 착물이 활성화되어 일반적인 한계를 초과했으며 들어오는 광자보다 더 많은 에너지 운반체가 생성되었음을 입증합니다.

미래 태양광 및 양자 기술 응용

이 연구는 아직 개념 증명 단계에 있지만 엑시톤 증폭을 위한 새로운 전략을 소개합니다. 연구팀은 이러한 물질을 고체 시스템에 통합하여 에너지 전달을 개선하고 실용적인 태양전지 응용에 더 가까이 다가가는 것을 목표로 합니다.

이 발견은 또한 태양 에너지뿐만 아니라 LED 및 신흥 양자 기술에서도 잠재적인 용도로 단일항 핵분열과 금속 착물을 결합하는 추가 연구를 장려할 수 있습니다.