성균관대 김지희 교수 공동 연구팀, 복수 캐리어 증폭 현상 구현으로 제3세대 태양전지 개발 견인
- 최대 390%에 달하는 캐리어 증폭 효율의 근거 규명
- 세계적 학술지 사이언스 어드밴시스에 6월 21일 게재

□ 성균관대학교(총장 유지범) 에너지과학과 김지희 교수 공동 연구팀은 펨토초 레이저를 활용한 시간분해 흡수 분광법을 사용하여 유·무기 이종접합구조에서 단일항 엑시톤 분열(singlet exciton fission)과 다중 엑시톤 생성(multiple exciton generation)이 동시에 발현되는 복수의 캐리어 증폭(dual-carrier multiplication) 현상을 관찰하고 최대 390%에 달하는 캐리어 증폭 효율의 근거를 밝히는 데 성공했다.

□ 김지희 교수는 에너지환경융합 키우리연구단 장유진 박사, 나노구조물리연구단 카말쿠말폴 박사, 나노구조물리연구단 이영희 연구단장과 함께 연구한 이 같은 내용을 국제 학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances, IF: 14.98)에 6월 21일(수)(현지시간 기준) 발표했다.

□ 단일항 분열과 다중 엑시톤 생성은 태양전지의 최대 변환 효율인 쇼클리-퀘이서 한계인 33.7%를 넘어서 이론적으로 최대 46%까지 개선시킬 수 있는 유망한 전략으로 학계에서 주목받고 있다. 일반적으로, 무기 반도체 물질은 밴드갭 에너지 이상의 에너지를 갖는 광자 한 개를 흡수하면 전자-정공 한 쌍을 발생시킬 수 있다. 그러나 여분의 에너지는 대부분 열로 방출되기 때문에 태양광을 전기로 전환하는 데 이론적 한계로 작용한다. 다만 특정 조건에서는 무기 반도체가 흡수한 광자가 지닌 여분의 에너지를 열로 잃는 대신 추가 전자-전공 쌍을 발생시킬 수 있고, 이를 다중 엑시톤 생성이라고 한다. 유사한 개념으로, 단일항 분열은 유기 반도체가 빛을 흡수하여 발생한 하나의 단일항 엑시톤이 두 개의 삼중항 엑시톤 쌍(triplet exciton pair)으로 변이하는 현상을 의미한다. 

□ 태양전지의 최대 변환 효율 개선에 대한 요구로 두 가지 캐리어 증폭 현상이 동시에 발현되는 이종접합구조에 대한 연구 결과가 드물게 보고되고는 있지만, 캐리어 증폭으로 얻어진 추가 전자-정공 쌍이나 삼중항 엑시톤이 광전류로 모두 기여하기에 적합한 에너지밴드 정렬 구조 형성이 가능한 소재 조합을 찾기 어려웠다.

□ 이번 연구에서는 선행 연구(Nature Communications 10, 5488 (2019), Nano Letters 21, 1976 (2021))에서 규명한 반도체성 전이금속 칼코겐 무기화합물인 MoTe2의 다중 엑시톤 생성 현상을 활용하는 동시에 단일항 엑시톤 분열이 발현되는 제2의 유기 반도체 소재인 펜타센(pentacene)을 MoTe2와 접합함으로써 효율적인 전하 전달 및 에너지 전달을 일으켜 결과적으로 MoTe2에서의 광전변환효율을 4배 향상시키는 전략을 포함한다.

□ 연구진은 펨토초 레이저 기반 시간분해 흡수 분광법을 활용함으로써 펜타센에서 단일항 엑시톤 분열을 거쳐 2배로 증폭된 캐리어가 MoTe2로 이동하여 MoTe2의 내부양자효율을 2배 개선시켰다. MoTe2 단일 소재에서 발현되는 다중 엑시톤 발생까지 고려할 때, MoTe2/펜타센 이종접합 소재는 약 390%의 내부양자효율 향상을 달성했다고 밝혔다. 이와 동일한 결과가 MoTe2/펜타센 이종접합 구조의 태양전지 소자에서도 확인되었다. 

□ 김지희 교수는 “이번 연구는 복수의 캐리어 증폭 현상을 시연한 첫 사례”라며 “유·무기 반도체 소재의 이종접합구조 및 내부양자효율의 획기적 향상은 제3세대 고효율 태양전지 개발 및 새로운 산업 창출의 선도적인 밑거름이 될 것”이라고 말했다.
 ○ 김지희 교수 연구팀의 이번 연구 결과는 캐리어 증폭 현상을 발현하는 다양한 반도체 소재의 새로운 조합을 통해 널리 활용되고 확장 연구가 이루어질 것으로 기대된다. 예를 들어, 다양한 조성의 전이금속 칼코겐 양자점 또는 할로겐화물 페로브스카이트 등으로 소재군을 다변화함으로써 복수 캐리어 증폭 현상을 구현할 수 있는 광 영역대를 선택적으로 확장/조정함으로써 태양광 활용률을 향상시킬 수 있다. 더불어, 복수의 캐리어 증폭 현상은 태양전지 개발 뿐 아니라 수전해를 통한 그린수소 발생 및 인공광합성과 같은 반도체 소재 및 캐리어 활용이 필수적인 또다른 광전변환 응용분야에 접목되어 제로탄소의 에너지 변환 효율 향상을 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

6월 22일 목요일자 보도자료 - 첨부파일 참조