적외선은 일반적으로 태양광 발전에 사용할 수 없는 태양 스펙트럼의 일부다.

미국 플로리다주립대( Florida State University) 박사후 연구원 사라 웨이홀드(Sarah Wieghold)와 레아 니언하우스(Lea Nienhaus) 교수 연구팀은 적외선을 활용할 수 있는 개선된 태양전지를 만드는 방법을 찾고 있다.

연구는 ‘Matter and Journal of Physical Chemistry Letters’ 에 두편의 논문으로 발표됐다.

니언하우스 화학 및 생화학 조교수는 “우리는 태양 전지의 효율을 최적화하는 과정을 연구 중”이라며 “주요한 추진 과제는 태양광 응용 분야에서 이 공정을 최적화하는 것”이라고 말했다.

연구팀은 광자 상향변환(photon upconversion)이라고 불리는 과정을 촉진하기 위해 태양전지에 대한 새로운 접근법을 시도했다. 광자 상향변환에서 두 개의 낮은 에너지 광자는 가시광선 방출하는 하나의 고 에너지 광자로 변환된다.

일반적으로 이 장치는 광자 상향 변환을 민감하게 하기 위해 금속 유기 분자 또는 반도체 나노 결정을 사용했지만 연구팀은 유망 태양 전지 재료 납 할로겐화 페로브 스카이트(Perovskite) 박막을 사용했다. 페로브스카이트는 상 변화된 빛을 방출하는 루브렌 (rubrene)이라고하는 탄화수소와 결합된다.

이 과정은 적외선을 감지하고 사용할 수 있는 보다 효율적인 태양 전지를 만드는 것이다. 적외선 스펙트럼의 파장은 일반적인 태양 전지에서 전자를 여기 시키는 데 필요한 충분한 에너지가 없으므로 활용 가능한 에너지원이 아니었다.

니언하우스”그것은 태양 전지가 흡수 할 수 없는 태양 스펙트럼이 상당량 존재한다는 것을 의미한다”며 “우리는 적외선을 태양 전지에서 볼 수 있고 사용할 수 있는 파장으로 바꾸기를 원한다”고 말했다.

장치 효율을 향상시키기 위해 연구자들은 적절한 두께의 페로브스카이트 막을 만들 필요가 있었다. 그들은 20, 30, 100 및 380나노 미터 두께의 필름을 테스트했다. 두께가 30나노 미터 이상일 때, 상향 전이 과정은 태양 조건 하에서 효율적이 되었다.

연구팀은 테스트를 진행하면서 장치가 비정상적인 방식으로 작동 함을 발견했다. 장치가 적외선을 가시 광선으로 바꾸고 있었지만, 페로브스카이트는 상향 변환 과정에서 생성 된 가시 광선 중 일부를 재 흡수하고 있었다.

웨이홀드는는 ” 필름을 사용하는 것에는 상반 관계가 있다. 루블렌에서 생성 된 가시광이 더 많다고 해서 장치에서 빛이 더 많이 나오는 것은 아니다. 직관적이지 않다”고 말했다.

결과적으로 장치의 가시광에 비해 적외선의 비율을 최적화하기 위해서는 보다 상세한 장치 공학이 필요하다고 연구자들은 말했다.