스페인 발렌시아 기술 대학(Polytechnic University of Valencia), Spanish National Research Council, Universitat Politecnica de Catalunya-BarcelonaTech, Universidad Rovira i Virgili de Tarragona의 연구진은 적외선을 전기로 전환시킬 수 있는 새로운 실리콘 태양전지를 개발하는데 성공했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 게재되었다.

실리콘은 가시광선 검출 및 태양전지 제조를 위한 재료이다. 그러나 실리콘의 고유의 밴드갭 특성 때문에, 대부분의 적외선 광자들은 쓸모가 없다. 이번 연구진은 다결정성 실리콘으로 만들어진 마이크로미터 크기의 새로운 구체를 개발했다. 또한 이번 연구진은 이 실리콘 구체를 적용한 광다이오드를 세계 최초로 개발했다. 공진 광자의 긴 체류 시간은 광전류 반응을 향상시키는데, 이것은 벌크 실리콘의 흡수 영역을 적외선 영역까지 확장시킨다. 이것은 지금까지 개발된 실리콘 태양전지보다 더 효율적인 태양전지와 광검출기를 개발할 수 있는 가능성을 열어준다.

태양은 무궁무진한 에너지원이고, 이것을 잘 이용하면, 오늘날 발생하고 있는 많은 에너지 문제를 해결할 수 있다. 태양전지라고 일반적으로 알려진 광발전 전지는 태양광을 전기로 변환시킬 수 있는 장치이다. 그러나 상대적으로 높은 비용(와트당 0.02 유로)과 17%의 낮은 효율 등과 같은 많은 문제점들을 가지고 있는데, 이것은 태양전지가 더 폭넓게 적용되는 것을 방해한다.

태양전지의 낮은 효율은 태양광 중의 단지 작은 부분만을 이용하기 때문에 발생하는 문제이다. 즉, 기존의 태양전지는 태양광의 가시광선만을 주로 이용한다. 다시 말하면, 기존의 태양전지의 낮은 효율은 실리콘과 같이 그들을 구성하는데 사용되는 기본 재료 때문이다. 그들은 저렴하지만 태양 스펙트럼의 작은 부분만을 흡수하고 이용할 수 있다. 적외선과 같은 태양 방사선의 나머지 부분은 사용될 수 없어서 사라진다.

3년의 연구 후에, 이번 연구진은 태양 방사선의 적외선을 흡수하고 이것을 전기로 전환시킬 수 있는 실리콘 태양전지에 대한 새로운 개념을 개발했다. 이번 연구진이 수행한 것은 마이크로 크기의 실리콘 구체 위에 태양 전지를 만드는 것이다. 마이크로 크기의 실리콘 구체는 적외선을 포집하고 이것이 전기로 전환될 때까지 회전한다.

이 연구는 차세대 고성능 태양전지를 개발할 수 있는 새로운 과학적 접근법을 제시하고 있다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 “All-silicon spherical-Mie-resonator photodiode with spectral response in the infrared region”이라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1038/ncomms4440).