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고도경 교수팀, 차세대 광전소자의 핵심 구동원리 규명

 

□  GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 물리·광과학과 고도경 교수 연구팀페로브스카이트 박막에서 생성된 에너지 운반자(carrier)의 동역학이 박막 제작공정에 의존하여 변화하는 원인을 규명하였다.

 

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차세대 광전소자의 핵심 구동원리를 규명한 고도경 교수님

□  페로브스카이트(perovskite) 반도체는 용액공정과 같은 저렴하고 간편한 제조공법을 통해 제작할 수 있고, 높은 광흡수성을 지니며 유연성이 있는 재료적 특성을 나타내기 때문에 실리콘 소재를 대체할 수 있는 차세대 박막형 태양전지*로 주목받고 있다.

*박막형 태양전지: 유리나 스테인리스 스틸과 같은 값싼 기판 위에 박막 형태의 반도체를 증착하여 만드는 태양전지로, 미래 태양광발전의 핵심.

□  하지만 기존의 연구에서는 제조공정에 따른 페로브스카이트 박막의 현미경적 미세구조(morphology)변화와 이를 기반으로 한 소자 성능의 제어가 가능함만이 확인되었을 뿐, 실질적으로 페로브스카이트 광전소자의 성능을 결정하는 에너지 운반자*의 생성과 소멸에 관한 연구는 여전히 미비한 편이다. 또한 광전소자에서 에너지 운반자 거동의 시간규모는 현재 가지고 있는 어떠한 전자적인 방법으로도 밝혀내기 힘들만큼 빠른 수준으로 알려져 있다.

 * 에너지 운반자: 물질 내에서 에너지를 운반하는 자유 입자. 반도체에서 생성되는 전자와 정공(hole)과 같이 전하를 운반하는 입자가 그 대표적인 예.

□  연구팀은 펨토초(femtosecond, 1000조분의 1) 레이저 기반의 광학적인 시간분해기술 중 하나인 펨토초 순간흡수분광법를 도입하여, 다양한 합성공정법을 이용해 제작한 페로브스카이트 박막들에서 나타나는 에너지 운반자 거동의 시간스케일을 측정하였다.

   ∘ 페로브스카이트 박막의 미세구조를 이루는 결정 그레인(crystal grain)크기, 균일성, 결함 등이 특정 광여기(photo excitation) 조건에서의 -캐리어(hot-carrier)*생성과 이완(relaxation) 그리고 재결합(recombination) 양상에 직접적인 영향을 주는 것이 확인되었다.

 * -캐리어: 반도체 물질의 밴드갭(band-gap) 보다 큰 에너지를 반도체 물질이 흡수하였을 때 순간적으로 생성되는 에너지 운반자.

   ∘ 높은 에너지를 지닌 핫-캐리어를 추출해내면 태양전지 소자의 에너지 손실을 줄일 수 있다고 알려져 있는데, 그러기 위해서는 핫-캐리어의 지속시간을 증대하는 등의 동역학적 제어가 필요하다. 이번 연구 결과에서는 페로브스카이트 그레인의 크기가 큰 경우 핫-캐리어의 지속시간이 증대됨을 관측하였고, 이는 페로브스카이트 미세구조의 제어를 통해 광전소자의 성능을 조절할 수 있다는 실험적 근거가 될 수 있다.

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□   고도경 교수이번 연구를 통해 페로스카이트 소재에서 일어나는 에너지 운반자의 초고속 거동의 근원을 규명한 것이라며 특히 페로브스카이트 광전소자의 에너지 변환효율 증대를 위한 최적의 구조를 예측하는데 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

□   이번 연구는 한국연구재단의 방사선기술개발사업과 선도연구센터사업(SRC), 그리고 광주과학기술원 극초단 광양자빔 활용사업의 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 네이처 출판 그룹(Nature Publishing Group) 발행 저널인 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)지에 1128일자로 게재되었다. <>

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