광자 하나로 전하 두 쌍 생성…차세대 태양전지 돌파구 열다!

단일층 2차원 반도체서 ‘전하 증폭 양자 한계치’ 구현

- 부산대·성균관대·충북대 공동연구 “같은 양의 빛으로 에너지 생성 두 배 실현 가능성 제시”

- 핫캐리어 탄도 확산이 양자효율 200% 증폭의 핵심…태양전지 성능 획기적 향상 기대

□ 국내 연구진이 기존 태양전지 효율의 한계를 뛰어넘을 수 있는 핵심 물리현상을 실험과 이론으로 동시에 입증하며, 차세대 고효율 태양전지 및 양자 광전 소자 기술 개발의 중요한 기반을 제시했다.

□ 부산대학교(총장 최재원)는 물리학과 김지희 교수 연구팀이 성균관대, 충북대 연구팀과의 공동연구로, 단일층 2차원 반도체인 ‘이셀렌화 몰리브덴(MoSe2)’에서 이론적 한계치인 최대 전하 증폭(carrier multiplication) 효율을 실험적으로 구현하고 물리적 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 29일 밝혔다 (그림1).

□ 전하 증폭은 하나의 광자에 의해 2개 이상의 전자-정공 쌍이 생성되는 현상으로, 태양전지의 이론적 효율 한계인 쇼클리-퀘이서 한계(약33%)를 극복할 수 있는 물리적 해법으로 주목받아 왔다. 하지만 대부분의 물질에서는 흡수된 에너지가 매우 짧은 시간 안에 열로 소실되기 때문에 실제 구현이 어려웠다.

□ 이번 연구에서는 펨토초(1조분의 1초) 수준의 초고속 시간·공간 분해 측정 기술을 활용해, MoSe₂단일층에서 빛에 의해 생성된 핫캐리어1)들이 격자나 결함과의 충돌 없이 수 마이크로미터 거리까지 빠르게 이동하는 탄도 확산(ballistic diffusion)2)현상을 실시간으로 관측했다(그림2). 이러한 에너지 손실 없는 전하 확산은 전하 증폭이 가능한 최적 조건을 제공하며, 광자 하나가 전하 두 쌍을 생성하는 양자 효율3) 200% 증폭을 달성했음을 실험적으로 입증했다.

□ 또한, 연구팀은 밀도범함수 이론4) 기반의 전자 구조 계산을 통해, MoSe₂ 단일층에서 전하 증폭이 발생할 수 있는 구조적 조건을 이론적으로 규명했다.

  ○ MoSe₂ 단일층 밴드갭의 두 배 되는 이 특정한 에너지 영역에서 밴드 네스팅5)과 밸리 대칭성6)라는 특정 조건을 갖춤으로써, 전하를 증폭할 수 있는 유리한 조건을 형성했다.

□ 김지희 부산대 교수는 “이번 연구는 2차원 반도체가 다른 차원 구조보다 전하 증폭 효율이 더 높을 것이라는 이론적 한계치 예상을 최초로 실험적으로 입증했다”며 “2차원 소재의 구조적·전자적 특성이 전하 증폭 효율 향상의 핵심이라는 사실을 정량적 실험과 이론 계산을 통해 동시에 증명한 것”이라고 설명했다.

   - 이어 “이러한 결과는 2차원 반도체가 고효율 에너지 변환의 핵심 소재가 될 수 있음을 명확히 제시했으며, 향후 차세대 태양전지, 양자 광전 소자, 초고속 센서 및 양자 정보처리 기술 등 다양한 응용 기술 개발에 중요한 기반을 제공할 것”이라고 강조했다.

□ 이번 연구는 재료공학 분야의 저명한 국제 학술지 『머티리얼즈 호라이즌스(Materials Horizons)』 7월 1일자에 게재됐다.

  - 논문 제목: Hot carrier diffusion-assisted ideal carrier multiplication in monolayer MoSe2 (핫캐리어 확산 기반 단일층 MoSe2의 이상적 캐리어 증폭)

   - 논문 링크: https://doi.org/10.1039/D5MH00230C

     1)핫캐리어(hot carrier): 빛을 흡수한 직후 매우 높은 운동 에너지를 가진 전자나 정공. 캐리어는 전자 또는 정공으로 전기를 운반하는 입자를 일컫는다.

  2)탄도 확산(ballistic diffusion): 전자가 격자 결함이나 다른 전자, 포논과 충돌하지 않고 외부 간섭 없이 짧은 거리나 시간 동안 빠르게 이동하는 현상. 일반적인 물질에서는 전자가 산란되기 때문에 드물게 관측됨.

3)양자 효율: 광자 1개가 들어왔을 때, 그로 인해 몇 개의 전기 신호(전자-정공 쌍)가 만들어졌는지를 나타내는 비율이다. 참고로, 여기서의 200%는 ‘양자 효율’이고, 앞서 언급한 쇼클리-퀘이서 한계의 33%는 ‘에너지 변환 효율’로, 직접적인 비교 대상은 아니다. 200% 양자 효율은 광자 1개로 전하 2개가 생성된다는 의미이고, 33%는 태양광 에너지 중 얼마나 많은 비율(100%를 넘을 수 없다)이 실제 전기로 변했는가를 뜻한다.

  4)밀도범함수 이론(Density Functional Theory, DFT): 전자의 밀도 분포를 기반으로 물질의 전자 구조를 계산하는 양자역학적 이론.

   5)밴드 네스팅(Band Nesting): 에너지 띠 구조에서 서로 평행하게 겹치는 부분이 존재하는 현상.

   6)밸리 대칭성(Valley Symmetry): 2차원 반도체의 전자 구조에서 서로 다른 위치(밸리)들이 대칭적으로 존재하는 특성

(그림1) 단일층 MoSe2에서의 빛에 의해 생성된 전자가 캐리어증폭을 통해 100% 증폭 효율을 달성하며, 전하 생성률 200% (양자효율기준)를 구현한 결과

(그림2) 단일층 MoSe2에서의 전하 증폭 메커니즘: 초고속 빛 흡수-탄도확산-전하증폭의 3단계 과정