규슈대, 광자 하나로 전자 두 개 깨우는 ‘양자 혁명’

 태양광 33% 한계 벽 허물었다

태양광 발전의 이론적 한계로 여겨져 온 ‘쇼클리-퀘이사(Shockley-Queisser) 한계’를 넘어설 수 있는 중요한 단서가 제시됐다. 일본 규슈대학교 요이치 사사키 교수 연구팀은 금속 복합체를 활용해 단일 광자로부터 복수의 전자를 생성하는 데 성공했으며, 양자 수율 130%라는 이례적인 성과를 보고했다. 이는 태양전지 효율의 근본적 제약으로 받아들여지던 ‘광자 하나당 전자 하나’라는 공식을 뒤흔드는 결과다.

기존 태양전지는 광자 하나가 전지에 도달할 때 하나의 전자만 생성할 수 있다는 물리적 한계를 지닌다. 광자의 에너지가 아무리 높아도 전자 생성에 필요한 수준을 초과한 에너지는 열로 손실되며, 이로 인해 단일 접합 태양전지의 이론적 최대 효율은 약 33%로 제한되어 왔다. 사사키 교수팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘스핀 플립(Spin-flip)’ 현상을 활용한 금속 복합체를 설계했다. 이 물질은 고에너지 광자 하나를 두 개의 낮은 에너지 상태로 나누는 ‘단일항 분열(Singlet Fission)’을 유도해 결과적으로 하나의 광자가 두 개의 전자를 동시에 활성화하는 효과를 만들어낸다.

연구에서 제시된 양자 수율 130%는 입사된 광자 수 대비 생성된 전자의 비율을 의미한다. 즉, 100개의 광자가 들어왔을 때 130개의 전자가 반응했다는 뜻으로, 기존의 1대1 대응 원칙을 넘어선 수치다. 이는 곧바로 태양전지 전체 효율이 130%에 달한다는 의미는 아니지만, 전자 생성 단계에서 이미 기존 물리적 한계를 돌파했다는 점에서 의미가 크다. 이를 기반으로 향후 태양전지의 실질적인 발전 효율이 40~50% 수준까지 향상될 가능성도 제기된다.

학계에서는 이번 성과가 차세대 태양광 기술의 전환점이 될 것으로 평가하고 있다. 특히 기존 실리콘 태양전지 위에 해당 금속 복합체를 추가하는 ‘탠덤 구조’를 적용할 경우, 비교적 낮은 비용으로 고효율을 구현할 수 있는 잠재력이 있다. 다만 연구팀은 이번 수치가 양자역학적 변환 효율에 해당하는 만큼, 이를 실제 전력 생산 시스템에서 안정적으로 구현하는 것이 남은 과제라고 밝혔다. 금속 복합체의 내구성 확보와 대면적 생산 공정의 경제성 문제 역시 상용화를 좌우할 핵심 요소로 지목된다.

한편 쇼클리-퀘이사 한계는 1961년 제안된 이론으로, 단일 반도체 접합 태양전지가 도달할 수 있는 최대 효율을 약 33.7%로 규정한다. 이번 연구는 그 전제 조건인 ‘광자 하나당 전자 하나’라는 원칙 자체를 흔들었다는 점에서, 태양광 발전 기술의 패러다임 변화를 예고하는 성과로 평가된다.