이승우 교수, Nano Letters지 논문 발표: 2차원 반도체 태양전지의 열역학적 근본 효율 한계와 설계 원리 제시


 

고려대학교 KU-KIST융합대학원 & 공과대학 융합에너지공학과 이승우 교수는 전이금속 칼코겐화합물(TMD) 기반 태양전지가 기존 태양전지의 이론 한계를 넘어설 수 있는 열역학 조건을 통합적으로 분석하였다. 본 단독 연구 결과는 2026년 5월 27일 세계적 나노과학 학술지인 Nano Letters지에 게재 승인되었다.

태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸지만, 모든 빛의 에너지를 다 쓰지는 못한다. 에너지가 너무 낮은 빛은 흡수되지 못하고, 에너지가 높은 빛은 남는 에너지가 열로 사라진다. 이처럼 열로 버려지는 손실은 태양전지 효율을 가로막는 가장 근본적인 장벽 중 하나다.

TMD는 원자 몇 층 두께로 만들 수 있는 2차원 반도체로, 얇고 유연하면서도 빛과 강하게 상호작용한다. WSe2, MoS2, MoTe2와 같은 소재는 두께에 따라 빛 흡수와 밴드갭이 달라져 초박막·유연 태양전지의 유망한 후보로 주목받아 왔다. 그러나 어떤 TMD가, 어떤 두께에서, 어떤 손실 제어 조건일 때 실제로 유리한지는 명확한 지도가 부족했다.

이번 연구는 차세대 고효율 태양전지에서 자주 언급되는 두 가지 아이디어를 한 계산틀 안에서 비교했다. 하나는 고에너지 빛 한 개가 전자-정공 쌍을 여러 개 만들게 하는 ‘캐리어 증폭(Carrier multiplication, CM)’이고, 다른 하나는 전하가 열로 식기 전에 남는 에너지를 전압으로 회수하는 ‘핫캐리어(Hot carrier, HC) 추출’이다.

핵심 결론은 두 기술을 단순히 더한다고 효율이 무한히 올라가지는 않는다는 점이다. 캐리어 증폭과 핫캐리어 추출은 모두 같은 ‘남는 빛 에너지’를 활용하기 때문에, 냉각 손실이 전혀 없는 이상적 한계에서는 서로 독립적인 보너스가 아니다. 이 연구는 같은 에너지를 중복 계산하지 않도록 열역학적으로 일관된 ‘에너지 장부’를 제시했다.

계산 결과, 빛을 충분히 흡수하는 두꺼운 TMD 흡수층에서는 기존 Shockley-Queisser 한계의 최적 밴드갭인 약 1.3 eV가 캐리어 증폭·핫캐리어 조건에서는 약 1.0 eV 쪽으로 이동했다. 이는 MoTe2처럼 밴드갭이 좁고 빛 흡수가 강한 TMD가 차세대 고효율 설계에 더 유리할 수 있음을 의미한다.

반면 단층 TMD에서는 상황이 달랐다. 단층 소재는 원자 한 층 수준으로 얇아 빛을 흡수하는 양이 적고, 캐리어 증폭에 필요한 매우 높은 에너지의 햇빛도 제한적이다. 따라서 단층 TMD에서 캐리어 증폭만으로 큰 효율 향상을 기대하기는 어렵고, 빛 흡수를 넓은 파장대에서 키우는 광학 구조가 먼저 필요하다는 결론을 얻었다.

본 연구는 TMD 태양전지의 효율 향상을 위해 좁은 밴드갭 소재 선택, 충분한 빛 흡수, 전하 냉각 억제, 에너지 선택성 접촉 설계가 함께 필요하다는 설계 원리를 제시한다. 향후 초박막·유연 태양전지, 반투명 태양전지, 반데르발스 이종접합 소자의 효율 한계를 평가하는 기준으로 활용될 것으로 기대된다.

-    저자정보: 이승우 교수(단독 저자 및 교신저자, 고려대학교 KU-KIST융합대학원, 공과대학 융합에너지공학과, 바이오마이크로시스템기술학과)

-    논문명: Fundamental Efficiency Limits of Transition-Metal Dichalcogenide Solar Cells with Carrier Multiplication and Hot-Carrier Effects

-    논문게재지: Nano Letters (2026년 5월 27일 In press, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02055)


 

[그림 1] 차세대 TMD 태양전지 효율 향상 전략 개념도. 
고에너지 빛 하나가 여러 전하쌍을 만드는 캐리어 증폭과, 전하가 열로 식기 전에 여분 에너지를 뽑아내는 핫캐리어 추출을 하나의 틀에서 비교하였다.

 

[그림 2] 밴드갭과 냉각 손실에 따른 이론 효율 지도. 
TMD 태양전지의 효율은 단순한 두께 증가보다 밴드갭 선택과 전하 냉각 억제에 크게 좌우되며, MoTe2처럼 약 1.0 eV에 가까운 좁은 밴드갭 물질이 유리함을 보여준다.

 

[그림 3] 저자정보. 이승우 교수(단독 및 교신저자, 고려대학교).