성균관대 연구팀, 3세대 고효율 태양전지 개발 견인

김지희 이영희 교수 연구팀
광전자전류 증폭 구현 성공

원자현미경 탐침 첨단에 부착된 양자점에 빛을 쬐어 광자 하나로 전자-홀 쌍 두 개를 추가로 발생시켰다. 성균관대 제공

[파이낸셜뉴스] 성균관대학교 연구팀이 광전자전류 증폭 구현에 성공하며 3세대 고효율 태양전지 개발에 선도적 기술력을 확보했다.

성균관대는 12일, 김지희 교수(에너지과학과)·이영희 연구단장(나노구조물리연구단) 연구팀이 단일 양자점을 원자현미경 탐침에 부착해 빛을 쬐여 광전류를 증폭하는데 성공했다고 밝혔다.

일반적으로 빛 알갱이(광자) 한 개는 전하 운반입자(캐리어) 한 쌍만 발생시킬 수 있다. 여분의 빛 에너지는 열로 방출되기 때문에 태양광을 모두 전기로 전환하기 어려웠다.

다만 특정 조건에서 광자 한 개로 발생한 전자-정공(캐리어) 한 쌍의 여분 에너지가 열로 방출되는 대신 두 개 이상의 캐리어를 추가로 발생시키는 캐리어 증폭 현상은 제3세대 태양전지 효율을 크게 높일 수 있는 열쇠로 주목받아 왔다.

양자점에서는 에너지 준위가 분리되어 열손실 없이 높은 캐리어증폭 효율을 보일 것으로 기대하고 있지만, 캐리어증폭 현상을 규명하기 위해 기존에 사용하던 광학 측정 방법은 태양전지 등 소자에 직접 적용하는데 한계가 있었다. 또 기존 측정법으로는 양자점을 분산시킨 용액 혹은 균일한 양자점 필름 시료에서만 캐리어 증폭 연구가 가능했기 때문에 양자점 하나에서 발생하는 캐리어 증폭 현상을 정확히 분석하기 어려웠다.

이에 연구진은 원자현미경을 이용하는 방법을 고안했다. 광캐리어를 재추출해 광전류로 측정하고 단일 양자점 내에서 증폭된 캐리어의 전류 변화를 관측하는 방법을 택한 것이다.

연구진은 원자현미경 전도성 탐침 첨단에 유전영동기법을 이용해 황화납 양자점을 부착하고, 양자점이 부착된 탐침을 그래핀 전극에 수십 나노미터 내외로 정밀하게 접근시켜 작은 접촉저항과 짧은 채널거리를 구현했다.

측정된 국소광전류 결과로부터 추출한 양자효율은 현재까지 보고된 양자점 캐리어증폭 결과 중 가장 높은 효율인 99%에 도달했고 최저 캐리어증폭 임계에너지를 달성하였다
연구진이 개발한 원자현미경을 이용한 광전류 증폭은 저차원 소자에서 광전류 증폭 현상을 직접적으로 평가할 수 있는 새롭고 독보적인 평가 기술이다. 추후 광전류 증폭 현상을 활용한 제3세대 고효율 태양전지 개발에 있어 선도적인 기반기술력을 확보하고 새로운 산업 창출의 밑거름이 될 것으로 예상된다.

이 논문은 지난 4일 응용물리분야 국제저널랭킹 상위 2% 이내인 'Advanced Materials(영향력지수=25.809)'에 온라인 게재됐다.

[e-mail] 김동호 기자