미국 태양광산업협회(Solar Energy Industries Association)의 보고서에 따르면 미국 태양광 패널 설치가 2019년 1분기 2백만 건 이상 증가했다.

이처럼 증가하는 수요 충족을 위해 현재 가장 널리 사용되는 기술인 실리콘 기반 태양 전지에 대한 안전하고 효율적인 대안을 제시하는 연구가 나왔다.

지난 10 년 동안, 납 할로겐화 페로브스카이트는 대체 물질의 가장 유망한 부류로 급성장했다. 그러나 이는 독성 물질로 건강과 지하수 오염 등 환경 적 위험을 초래하는 납을 함유하고 있다.

미국 세인트루이스의 워싱턴대(Washington University) 엔지니어팀은 데이터 분석 및 양자역학적 계산을 통해 새로운 이중 페로브스카이트 산화물(dual perovskite oxide)을 사용해 태양에너지 응용 분야에서보다 안정적이고 독성이 적은 반도체를 개발했다.

연구는 미국 화학 학회발간 재료화학(Materials Chemistry) 지에 온라인으로 게재됐다.

멕커비(McKelvey)공대 로한 미쉬라(Rohan Mishra) 기계공학 및 재료과학 조교수는 칼륨, 바륨, 텔루르, 비스무트 및 산소(KBaTeBiO6)로 구성된 새로운 반도체를 발견한 학제간 국제팀 이끌었다. 무연 이중 페로브스카이트 산화물은 최초 3만 개의 잠재적 비스무트 기반 산화물 중 알려진 25종 중 하나였다.

미국 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 산하 연구팀은 KBaTeBiO6가 3만개 개의 잠재적 산화물 중에서 가장 유망한 것으로 나타났다.

미쉬라는 “이것이 가장 안정된 합성물”이라며 “실험실에서 합성한 새로운 화합물이 할로겐화물 페로브스카이트에 가까운 낮은 밴드 갭을 가지며 안정된 성질을 가질 것”이라고 예측했다.

연구팀에 따르면 밴드갭은 태양전지에서 전기 장치에 전력을 공급하거나 나중에 사용하기 위해 배터리에 저장되도록 추출 할 수있는 자유 캐리어를 형성하기 위해 전자가 극복해야하는 에너지 장벽이다. 이 장벽을 극복 할 수있는 에너지는 햇빛에 의해 제공된다. 태양전지 응용 분야에서 가장 유망한 화합물은 약 1.5eV (전자전압) 밴드 갭을 갖는다.

미쉬라는 에너지환경화학공학과 교수들과’ KBaTeBiO6′ 합성 가능성에 대해 논의했다. 멕커비공대 박사과정생 샤리니 카바디야(Shalinee Kavadiya), 현 애리조나 주립대 박사후연구원은 합성에 위해 노력했다.

미쉬라는 “샤리니는 재료를 합성하는데 약 6 개월을 보냈다”고 Mishra는 말했다. “예측대로 그녀가 합성에 성공, (재료는) 안정적이며 1.88 eV 밴드 갭을 보였다”고 말했다.

밴드 갭의 미세조정이 필요한 1세대 무독성 태양전지 프로토타입에 대해 연구팀은 태양 전지뿐만 아니라 LCD 디스플레이 등 응용 분야에 대해서도 반도체 설계에 새로운 가능성을 제시한다고 설명했다.