태양광 발전 등 빛을 전기로 바꾸는 광전 효율을 획기적으로 높일 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 이 기술이 고성능 태양전지는 물론 광센서와 나노반도체 같은 초소형 광전소자 개발에도 기여할 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST)은 박정영 화학과 석좌교수와 이문상 인하대 신소재공학과 교수 공동 연구팀이 ‘핫홀’의 흐름을 증폭시키고 이를 실시간으로 국소 전류 맵핑하는 방식으로 광전류를 향상시키는 원리를 규명했다고 12일 밝혔다. 연구성과는 국네 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 이달 7일 게재됐다.
핫홀은 빛이 금속 표면에 닿으면 순간적으로 만들어지는 정공이다. 정공은 전자의 빈자리로서 양(+) 전하를 띠는 일종의 전기 입자다. 핫홀을 통해 전기가 흐르므로 핫홀을 크게 증폭시킬 수 있다면 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 효율도 높일 수 있다. 하지만 핫홀은 1조 분의 1초인 피코초 단위의 짧은 순간에 만들어졌다가 사라지기 때문에 이를 제어하기는 쉽지 않다. 또 핫홀이 움직이는 거리도 수 nm(나노미터·10억 분의 1m)에 불과해 그 흐름을 파악하기도 어렵다.
연구팀은 금속 나노 그물망을 질화갈륨 소재의 반도체 기판 위에 배치한 ‘나노 다이오드 구조’를 만들어 핫홀 생성을 촉진하도록 설계했다. 또 광전도성 원자힘 현미경을 활용해 nm 수준에서 핫홀을 파악하는 기술도 개발했다. 이를 통해 핫홀의 흐름 증폭을 기존 대비 2배 키우는 데 성공했다.
박 교수는 “다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것”이라며 “태양전지 등 태양광을 이용한 에너지 변환 기술에 획기적인 발전을 기대할 수 있으며 실시간 분석 기술을 개발해 광센서나 나노반도체 같은 초소형 광전소자 개발에 응용이 가능하다”고 말했다.
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