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차세대 태양전지 '페로브스카이트' 전자이동 근원 찾았다

최소망 기자 입력 2017. 12. 11. 17:34

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국내 연구진이 차세대 태양전지로 꼽히는 '페로브스카이트' 내 자유전자의 이동근원을 찾았다.

11일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 물리·광과학과 고도경 교수 연구팀이 페로브스카이트 박막에서 생성된 에너지 운반자의 동역학이 박막 제작공정에 의존해 변하는 원인을 규명했다.

실제 페로브스카이트 광전소자의 성능을 결정하는 에너지 운반자의 생성과 소멸에 대한 연구는 부족했다.

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GIST 고도경 교수, 운반자 초고속 동역학 관찰
여러 가지 용액공정을 통해 합성 된 페로브스카이트 박막들의 미세구조와 흡수특성. © News1

(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 국내 연구진이 차세대 태양전지로 꼽히는 '페로브스카이트' 내 자유전자의 이동근원을 찾았다.

11일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 물리·광과학과 고도경 교수 연구팀이 페로브스카이트 박막에서 생성된 에너지 운반자의 동역학이 박막 제작공정에 의존해 변하는 원인을 규명했다.

페로브스카이트 반도체는 저렴하고 간편한 제조공법만으로도 높은 광흡수성과 유연성을 지녀 차세대 박막형 태양전지로 주목받고 있다. 기존 연구에서는 제조공정에 따른 페로브스카이트 박막의 현미경적 미세구조 변화와 소자 성능의 제어에 대한 연구만 다수 존재했다.

실제 페로브스카이트 광전소자의 성능을 결정하는 에너지 운반자의 생성과 소멸에 대한 연구는 부족했다. 특히 광전소자에서 에너지 운반자(자유입자) 거동의 시간규모는 어떠한 전자적인 방법으로도 밝히기 어려웠다.

연구팀은 펨토초(1000조분의 1초) 레이저 기반의 광학적인 시간분해기술에 집중했다. 펨토초 순간흡수분광법으로 다양한 합성공정법을 이용해 페로브스카이트 박막에서 나타나는 에너지 운반자의 거동 시간스케일을 측정했다.

그 결과 페로브스카이트 박막의 미세구조를 이루는 결정 그레인의 크기, 균일성, 결함 등이 특정 광여기 조건에서의 '핫-캐리어' 생성과 이완, 재결합 양상에 직접적인 영향을 주는 것으로 확인했다. 핫-캐리어는 반도체 물질의 밴드갭 보다 큰 에너지를 반도체 물질이 흡수하였을 때 순간적으로 생성되는 에너지 운반자를 말한다.

높은 에너지를 지닌 핫-캐리어를 추출하면 태양전지 소자의 에너지 손실을 줄일 수 있다고 알려졌다. 따라서 에너지 솔질을 줄이려면 핫-캐리어의 지속시간을 증대하는 등 동역학적 제어가 필요하다. 연구팀은 페로브스카이트 그레인의 크기가 큰 경우 핫-캐리어의 지속시간이 증대되며, 이는 페로브스카이트 미세구조의 제어를 통해 광전소자의 성능을 조절할 수 있다는 실험적 근거를 제시했다.

고도경 교수는 "페로스카이트 소재에서 일어나는 에너지 운반자의 초고속 거동의 근원을 규명했다"며 "페로브스카이트 광전소자의 에너지 변환효율 증대를 위한 최적의 구조를 예측하겠다"고 밝혔다.

이번 연구결과는 지난 11월 28일 '사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)'에 실렸다.

somangchoi@

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