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○ 하나의 에너지 밴드 갭을 가진 광전지가 자연 태양광(1-sun 강도)의 입사에너지를 전기에너지로 전환시키는 최대효율은 31~33% 정도로 알려져 있다. 에너지 전환효율을 제한하는 주요인은 밴드 갭 에너지 이상의 잉여에너지가 전자-포논 산란에 의한 열로 손실된다는 것이다. 그 해결책의 하나로 태양광의 여러 주파수(spectrum)와 일치하는 다양한 밴드 갭의 반도체들을 적층하여 다층 p-n 접합을 구성하는 방법을 들 수 있다.
○ 또 다른 방법은 전하를 운반하는 핫 캐리어들의 에너지가 냉각과 포논 방사에 의해 낮은 수준으로 떨어지기 전에 전기에너지로 전환하는 것이며, 이것은 다시 광기전력과 광전류를 각각 크게 하는 두 가지 방법으로 나뉜다. 전자는 핫 캐리어가 냉각되기 전에 광전환장치에서 추출하는 방법이고, 후자는 소수의 입사 광자로 다수의 캐리어를 생성시키는 다중 엑시톤 생성(multiple exciton generation: MEG) 현상을 이용하는 것이다.
○ 최근의 연구에서 캐리어를 de Broglie 파장과 비교될만한 매우 작은 공간, 즉 양자 점(quantum dot: QD)에 퍼텐셜 장벽으로 가두면 그 냉각속도를 MEG 속도보다 작아지도록 할 수 있으며, 이 현상을 이용하여 광전지 효율을 높이는 방안이 제시되었다.
○ QD 광전지의 효율을 높이는 또 다른 방법은 전술한 다층 p-n 접합 광전지와 유사한 원리를 이용하는 것이다. 즉 광전지의 상부에서 하부로 내려갈수록 QD의 사이즈가 커지도록 배열하여 상부에서는 태양광 중 짧은 파장의 빛을 흡수시키고 하부로 내려가면서 점점 긴 파장의 빛을 흡수시키는 소위 무지개(rainbow) 광전지를 제조하는 방법이다.
○ 위와 같이 QD 광전지의 에너지 전환효율을 향상시키기 위한 다양한 방법이 제안되고 있고, 국내외에서 그 실현을 위한 많은 연구노력이 이루어지고 있다. 아직은 그와 같은 광전지들이 실증적으로 제작되었다는 보고는 없지만, 그 가능성을 인정받고 있으므로 앞으로도 이 방향의 연구가 활발하게 계속될 것으로 보인다. |