국내 연구진이 빛-전기 변환이 가장 활발한 '핫스팟'을 찾아냈다. 이 발견을 소자에 적용하면 빛 에너지를 전기화하는 차세대 고효율 태양전지 상용화에 큰 보탬이 될 전망이다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 박정영 나노물질 및 화학반응 연구단 부연구단장(KASIT 화학과 교수)팀이 핫전자 발생을 세계에서 처음으로 나노미터(㎚) 수준에서 관찰하고, 광전변환효율이 가장 좋은 조건을 찾았다고 23일 밝혔다.
핫전자는 높은 운동에너지를 가진 전자다. 외부 에너지가 물질 표면에 전달될 때 내부 자유전자가 집단 진동하는 '표면 플라즈몬 공명' 현상으로 생긴다. 금속 표면에 광 전류가 흐르게 해 금속-반도체 접합 나노 다이오드(쇼트키 나노다이오드)와 같은 차세대 소자에 활용된다. 고효율 에너지 전환장치 구현에 꼭 필요한 요소지만 아직 전모를 파악하기 어려웠다. 핫전자가 수 펨토초(1000조분의 1초)만에 사라지고, 나노미터(㎚) 규모 변화를 파악할 수 있는 장비도 없었기 때문이다.
연구팀은 뾰족한 탐침으로 시료 표면을 스캐닝하는 장비에 레이저 조사, 전류 파악 장치를 더한 '광전도 원자력간 현미경'으로 핫전자를 관찰했다. 나노스케일 금 나노프리즘을 올린 쇼트키 나노다이오드에서 핫전자를 실시간 검출했다.
검출 결과 조사 레이저 파장이 나노프리즘 표면 플라즈몬 공명과 일치할 때 가장 많은 핫전자가 검출되는 것을 확인했다. 2.6배나 많은 광전류를 검출한 경우도 있었다. 또 나노프리즘 경계면 핫전자 발생이 내부보다 13배 활발하다는 것도 밝혀냈다.
연구팀은 이 결과가 태양전지와 같은 소자의 광전변환효율을 극대화하는 기반이 된다고 설명했다. 태양전지 후면 금속막을 새로운 쇼트키 나노다이오드로 대체, 고효율 태양전지 개발이 가능해진다.
박정영 부연구단장은 “핫전자 연구는 에너지환경 분야를 폭발적으로 발전시킬 것”이라며 “에너지 변환뿐만 아니라 고효율 광촉매 개발에도 활용할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
