오늘날의 태양전지는 가시광선 빛만 흡수할 수 있으며, 지구에 도달하는 태양 방출광의 절반을 차지하는 적외선은 헛되이 버린다. 그러나 스페인에서 개발된 새 물질은 적외선도 흡수할 수 있으며, 태양전지로 생산할 수 있는 전력을 끌어올리는 것도 가능하게 할 것이라고 연구진은 말한다.

전통적인 태양전지는 실리콘과 같은 반도체를 기반으로 한다. 그러나 반도체는 적외선을 흡수할 수 없기 때문에 이론적인 흡수한계는 태양 에너지의 40% 정도에 불과하며, 실제로는 30%정도만 흡수한다. 그러나 새 물질은 가시광선과 적외선 광자들을 모두 이용할 수 있어서 이론적인 최대 효율이 63%에 달하며 실제로도 상당히 더 우수한 성능을 제공할 것이라고 한다.

반도체 태양전지는 속박 전자들이 오직 적절한 에너지를 가진 광자들을 흡수하여 자유롭게 흐를 수 있는 높은 에너지 준위로 끌어올려질 때 전기를 발생한다. 태양전지는 적절한 양보다 훨씬 더 많거나 적은 에너지를 가진 광자로부터는 전기를 만들 수 없다. 가시광선 광자들은 에너지 변화가 적지만 지구에 대량으로 도달하기 때문에 태양전지는 가시광선 빛에 맞춰져 있다. 그러나 1997년 다른 스페인 연구자들이 태양전지로 이용할 수 있는 스펙트럼을 확대할 수 있는 방법을 찾아냈다. 그들의 아이디어는 일종의 에너지 “디딤돌”을 만드는 것이었다. 전자들은 높은 에너지 준위로 도약해야하는 대신 저에너지 광자를 흡수한 뒤 또 다른 광자가 도달할 때까지 중간 에너지 준위에서 기다릴 수 있다.

그런데 이제 스페인 폴리테크닉대(Polytechnic University) 태양에너지연구소(Institute for Solar Energy)의 페를라 와논(Perla Wahnon)과 스페인고등과학연구위원회(Spanish Higher Scientific Research Council) 촉매연구소(Institute of Catalysis)의 호세 코네사(Jose Conesa)가 그 아이디어를 자신들의 새로운 태양전지 물질에 이용했다. 이들은 전통적인 반도체에 티타늄과 바나듐 원자들을 첨가함으로써 전기적 특성을 바꾸어 중간 에너지 준위를 만들었다. 연구팀은 이 물질이 이론적으로 태양광선의 63%를 포획할 수 있다고 계산했다.

새로운 디자인을 토대로 한 태양전지의 실제 효율이 63%에 이르지는 않을 것이라고 코네사는 설명한다. “그러나 만일 이론적 한계가 더 높다면, 얻을 수 있는 실제 수치 또한 더 높을 것이라고 추정할 수 있다.”라고 그는 말한다. 아직 태양전지로 만들지는 못했지만 이 물질의 초기 버전은 예측된 특성과 일치하며, 연구팀은 머지않아 전지로 만들 계획이다. 최초의 디딤돌 태양전지는 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 라덱 왈루키위츠(Wladek Walukiewicz) 팀에 의해 만들어졌으며 이론적으로 태양 복사광의 57%를 포획할 수 있다. 로렌스버클리 팀의 물질과는 달리, 새 물질은 일부 전자들이 본래부터 중간 에너지 준위에 머물기 때문에 더 높은 효율을 제공할 것이라고 코네사는 말한다. 처음부터 일부 전자들이 이미 디딤돌에 있기 때문에 전자들이 흐르기가 더 쉽다고 코네사는 말한다.

왈루키위츠는 계산 결과가 흥미롭다고 말하면서도, “이론적 예측은 실제 태양전지를 실현하기 위한 긴 과정의 시작일 뿐이다.”라고 덧붙였다. 반도체에 적절히 작용하는 중간 에너지 준위를 형성할 만큼 충분한 티타늄이나 바나듐을 삽입하는 것은 도전이 될 것이라고 그는 생각한다.

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