황화비스무트 박막, 빛 흡수하면서 전하 손실 늦춰…태양전지 효율은 미검증

옥스퍼드대 등이 황화비스무트 박막의 전하가 되돌아가 소멸하는 속도를 늦추는 전자 구조를 확인했다고 28일 학술지 《네이처》에 발표했다. 빛을 강하게 흡수하면서도 전하의 일부 손실을 줄일 수 있다는 실험·계산 결과다. 다만 이를 이용한 태양전지의 발전 효율을 측정한 연구는 아니다.

빛 흡수와 재결합, 서로 다른 에너지 경로

태양전지는 빛을 받아 생긴 전자와 정공을 전극으로 모아 전기를 만든다. 둘이 다시 결합하면 그만큼 전류로 회수할 기회를 잃는다. 미국 에너지부도 재결합을 태양전지 효율을 제한하는 요인 가운데 하나로 설명한다.

연구진은 황화비스무트(Bi₂S₃) 박막에 짧은 빛 펄스를 쏘고 전하가 사라지는 과정을 테라헤르츠 전도도 등으로 관찰했다. 전자 상태 계산과 온도별 흡수 측정도 함께 진행했다. 빛 흡수에 유리한 직접 전이보다 에너지가 약간 낮은 간접 전이가 있어 전하의 재결합이 늦춰진다는 해석을 제시했다.

논문은 이 구조를 ‘유사 직접 밴드갭’으로 설명했다. 직접 전이는 빛과 강하게 상호작용하지만, 낮은 에너지의 간접 전이는 재결합이 상대적으로 느리다. 두 경로가 가까이 있어 흡수와 전하 손실에 각각 다른 영향을 줄 수 있다는 것이다.

재료의 성질 확인…완성 소자 성적은 별개

이번 관측은 박막 재료의 전하 동역학을 다룬다. 논문에는 결함에 의한 전하 소멸도 관찰됐으며, 이를 구분해 전자·정공 사이의 재결합 계수를 추정했다. 한 종류의 손실이 줄어도 제작한 태양전지의 전체 효율이 자동으로 높아지는 것은 아니다.

옥스퍼드대는 같은 날 발표에서 완성된 태양전지가 아니라 물리적 메커니즘을 확인한 단계라고 밝혔다. 실제 소자에서 전하를 얼마나 회수할 수 있는지, 제조와 장기 사용 조건에서도 이 특성이 유지되는지는 후속 검증이 필요하다.

대표 이미지: AI 생성 이미지 / 데이마크

자료: https://www.nature.com/articles/s41586-026-11223-x
https://www.ox.ac.uk/news/2026-10-28-semiconductor-breakthrough-overcomes-major-challenge-in-capturing-solar-energy
https://www.energy.gov/cmei/systems/solar-photovoltaic-performance-and-efficiency-basics