<사진. 태양전지 내 효율 손실의 주된 원인인 반도체 내 핫 전하들을 연구하기 위한 새롭고 더 나은 방법이 버클리 연구소 과학자들에 의해 개발되었다. 
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

미래 태양전지 효율 증가를 위한 핫 전하 특성 연구

새롭고 더 효율적인 태양전지의 디자인과 개발을 위한 주된 연구주제들 중 하나가 현재 해결될 것이다. 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구원들은 반도체 내 핫(hot) 전하들의 특성을 알기 위해 조절 가능하고 경험적인 매개변수들 없이 이론적인 모델을 의미하는 최초 제1의 계산방법을 개발했다. 핫 전하들은 열적 평형에서 전하들에 비해 매우 높은 에너지를 가진 전자와 홀인 전기 전하들이다.

핫 전하 열운동화는 태양전지에서 효율 손실의 주된 원인이지만, 피코초 이하 시간 크기와 포함된 복잡한 물리학으로 인해, 핫 전하들의 특성 연구는 가장 간단한 물질들에 대하여도 도전적인 과제로 오랫동안 인식되어 왔다고 버클리 연구소의 재료 과학 분과 이론 물리학자이며 선임 교수 과학자인 스티븐 로위 박사가 전했다. 연구원들의 연구는 에너지를 잃기 위해 핫 전하들이 얼마나 오래 존재하는지에 대한 수명, 얼마나 멀리 핫 전하들이 그들의 에너지를 잃기 전에 이동할 수 있는지에 대한 평균 자유 경로 등 핫 전하들에 대한 주요 특성들에 대한 최초의 제1 계산을 하는 것이다.

이 값들을 계산하기 위한 이전 모든 이론적인 방법들은 고품질 샘플들의 이동이나 광학 측정들에서 추출된 경험적인 매개변수들을 요구했고 알려진 반도체 물질들 중 실리콘과 갈륨 아세나이드 만을 요구하고 있었다. 마르코 버나디, 데렉 비길-폴러, 요하네스 리스너와 함께 버클리 연구소에 위치한 미국 에너지부 나노과학 사용자 시설, 분자 파운드리 소장인 제프 니톤 박사와 로위 박사에 의해 개발된 제1 계산 방법은 이 물질의 구조 이외의 어떠한 실험적인 매개변수들도 필요치 않는다.

이는 다양한 표면, 다양한 나노구조, 실재 실험들에 의존하지 않고 무기 및 유기 결정 등 다양한 물질들에서 핫 전하들을 연구할 수 있다는 의미라고 니톤 박사가 이야기했다. 연구원들은 현재까지 합성되지 않았던 물질들도 연구할 수 있다. 연구원들의 방법으로 이상적이고 결함 없는 구조들을 얻을 수 있기 때문에, 실재 샘플들에서 불순물과 결함들로 인해 실험에서 추출하기 어려운 고유 수명과 평균 자유 경로들을 예측할 수 있다. 또한 이 모델들은 결함과 불순물들의 영향을 직접적으로 평가하는데 이용될 수 있다.

연구원들은 “Ab Initio Study of Hot Carriers in the First Picosecond after Sunlight Absorption in Silicon”이라는 제목으로 피지컬 리뷰 레터스 지에 자세한 결과들을 묘사하고 있다. 실리콘을 기반으로 하는 단일 접합 태양전지는 약 30 퍼센트인 이론적인 한계로 효율이 빠르게 접근하고 있다. 이는 만약 실리콘 기반 태양전지가 에너지의 평방미터당 1000 와트를 수집한다면, 발생시킬 수 있는 대부분의 전기는 평방미터당 300와트라는 뜻이다. 핫 전하들은 그들의 열운동화가 실리콘 내 흡수된 태양 에너지의 1/3이며 다른 반도체들에서도 비슷한 수준의 손실을 초래하기 때문에 태양전지 효율을 향상시키는데 중요하다. 그러나 광전소자와 다른 현대 광전 응용들에 대한 복잡한 물질 내 핫 전하들의 특성은 여전히 알지 못한다.

연구원들의 연구는 태양전지 내 응용으로 실리콘 내 핫 전하 운동학에 대한 유용한 데이터를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 이 연구에서, 연구원들은 밀도 함수와 다체 섭동 이론들의 빼대와 최신의 정확성으로 전자와 포논에 의해 각각 유도된 두 가지 주요 손실 메터니즘들을 묘사하는 제1 원리의 계산을 제공하고 있다.

연구팀은 실리콘 내 핫 전하들의 완화 시간과 평균 자유 경로를 연구하기 위해 그들의 방법을 적용했을 때, 그들은 태양 조사 아래에서 열운동화가 350펨토초 내에 끝나며 핫 전하들이 에너지를 잃고 밴드 끝을 향한 완화됨에 따라 점차적으로 더 느려지게 되는 과정인 핫 전하에서의 포논 방출로 지배된다. 이 모델링 결과는 펌프-탐침 실험들의 결과와 매우 일치하였다. 이 모델이 이 연구에서 실리콘 상에서만 시험되었지만, 연구원들은 다른 물질들에서도 동일하게 적용될 것이라고 확신하고 있다.

연구원들의 접근방법은 매우 놀라운 수준으로 특이 에너지, 운동량, 결정학적 방향을 이용하여 핫 전하들의 수명과 평균 자유 경로를 계산하는데 이용될 수 있어 태양전지와 다른 재생 에너지 기술들의 상황에서 핫 전하들을 연구하는 실험 그룹들에게 매우 유용할 것이다. 연구원들은 결정 물질과 나노구조들의 영역으로 핫 전하들의 연구를 확장하여 계산된 데이터가 반도체 내 핫 전하들에 대한 새로운 실험들을 안내하기 위한 아주 미세한 아이디어를 제공할 것으로 믿고 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr