캐리어 증폭 현상, 2차원 전이금속 칼코젠 소재에서 최초 관측

광자 한 개를 더 많은 전하 입자로 변환할 수 있는 길이 열렸다.

기초과학연구원(IBS) 나노구조물리 연구단 이영희 단장 연구진은 빛 에너지에 비례해 전하 캐리어 수 즉, 전류가 늘어나는 캐리어 증폭 현상을 2차원 물질에서 최초로 관찰했다. 광자가 전하입자를 일대일로 발생시켰던 기존 태양전지의 효율 한계 33.7%를 넘어 효율을 46%까지 향상시킬 기반을 제공했다.

2차원 물질은 두께가 원자층 수준으로 얇은 물질로, 기존 물질과는 전혀 다른 물리현상이 나타나 차세대 반도체로 활발히 연구되고 있다.

일반적으로 에너지가 아무리 커도 빛 입자인 광자 한 개는 전하 운반입자(캐리어) 한 쌍만 발생시킬 수 있다. 여분의 에너지는 열로 방출되는 까닭에 태양광을 전기로 전환하는 데 이론적인 한계로 작용했다. 다만 특정 조건에서는 발생한 캐리어의 여분 에너지가 두세 쌍 이상의 캐리어를 추가로 발생시키는 ‘캐리어 증폭(carrier multiplications, CM)’ 현상이 일어난다. 이는 태양전지 효율을 크게 높일 열쇠로 주목받아 왔다.

캐리어 증폭 시 에너지 변화 모식도.
원자의 가장 바깥쪽 전자띠를 ‘가전자대’라고 부르고, 이보다 에너지가 커서 자유롭게 전자가 이동할 수 있는 에너지 준위를 ‘전도대’라고 부른다. 일반적인 경우 첫 번째로 생성된 전자-양공 쌍(가장 왼쪽)의 에너지가 열로 낭비(1)되면서 전도대로 내려오는 반면, 캐리어 증폭이 발생하면 (2)처럼 운동에너지를 포착하여 가전자대에 안정한 상태로 있던 새로운 전자들을 전도대로 여기시킨다. 그림에서는 총 2개의 전자-양공 쌍이 발생하게 된다.

캐리어 증폭 현상이 가능한 물질들 중, 2차원 물질에서 캐리어 여분 에너지가 100% 가까이 추가 캐리어로 전환될 것으로 예측됐으나 지금까지 관측된 적은 없었다. 실제 2차원 물질의 빛-전기 변환 효율이 이론값을 크게 밑돌았을 뿐더러, 캐리어 증폭을 일으킬 수 있는 조건을 갖춘 2차원 소재는 합성하기도 어려웠기 때문이다.

연구진은 먼저 캐리어 증폭이 발생할 가능성이 높은 후보 물질들을 합성하는 방법을 개발했다. 전이금속 칼코젠 화합물은 쉽게 원자층을 2차원으로 분리할 수 있고, 높은 광흡수율과 우수한 캐리어 이동성 때문에 차세대 태양광 소재로 각광받는 물질이다. 그러나 전이금속과 칼코젠 사이의 결합을 만들기 어려워 대면적 합성이 드물었다. 연구진은 3년간의 시행착오 끝에 매우 정밀한 기상화학증착을 이용, 전이금속 칼코젠 화합물 중에서 광변환 효율이 좋은 몰리브덴디텔루라이드(MoTe2)와 텅스텐디셀레나이드(WSe2)를 대면적으로 합성하는 데 성공했다.

그 다음 연구진은 전자의 움직임을 펨토초(fs·1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 초고속 분광법을 이용해, 순식간에 발생하는 캐리어 증폭 현상을 실시간으로 분석했다. 캐리어의 수명은 펨토초 수준으로 매우 짧은데다 연쇄적으로 발생하기 때문에, 이를 효과적으로 추출하기 위해서는 적절한 분광법이 필요하다. 먼저 아주 짧게 지속하는 펨토초 레이저로 캐리어를 1차로 발생시킨 다음, 시간차를 두고 여분의 에너지가 여러 쌍의 캐리어로 전환되는 과정을 별개의 레이저로 관측했다. 이때 캐리어와 레이저가 상호작용하는 신호를 종합해 캐리어 발생 메커니즘과 증폭된 캐리어의 밀도 변화를 계산했다.

2H-MoTe2와 WSe2에서의 높은 캐리어 증폭 효율.
양자 수율은 광자 1개 당 만들어지는 캐리어 수를 가리킨다. 광자의 에너지가 밴드갭 에너지의 두 배 미만(hv/Eg < 2)일 경우 광자 하나가 하나의 캐리어를 만든다 (양자수율= 1). 밴드갭의 두 배 가량에 해당하는 에너지 영역에서(hv/Eg ≧ 2) 캐리어 증폭 현상이 일어나기 시작한다 (양자수율> 1). 광자 에너지가 밴드갭의 세 배 가량 (hv/Eg ≧ 3)이 되면 하나의 광자가 더 많은 수의 캐리어를 발생시킨다 (양자수율>2).

그 결과 먼저 발생한 캐리어의 여분 에너지가 최대 99% 효율로 추가 캐리어를 발생시키는 것을 관찰했다. 이는 기존에 양자점에서 관찰됐던 캐리어 증폭 효율인 약 91%보다 월등하게 높다. 현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커, 빛에서 전기로 변환되는 효율은 33.7%가 한계다. 이번에 합성한 2차원 물질을 활용하면 변환 과정에서 캐리어의 여분 에너지를 99% 활용할 수 있어 태양전지 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 전망된다.

연구진은 “이번에 관측된 2차원 전이금속 칼코젠 소재의 독특한 광학적 특성은 앞으로 광검출기, 태양전지 등 다양한 광전자 분야에 기여할 것으로 기대된다”며 “가볍고 우수한 빛 흡수력과 뛰어난 내구성, 유연성 때문에 향후 플렉서블 태양전지의 상용화까지 기대할 수 있다”고 말했다.

네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 이번 연구는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications, IF 11.860)’에 12월 2일(한국시간) 온라인 게재됐다.

기존 양자점과 2차원 전이금속 칼코젠 층상 물질의 캐리어 증폭 효율 비교 양자점(QD)이나 3차원 벌크 소재의 경우 광자에너지가 밴드갭 에너지의 서너 배 이상이 되어야 캐리어 증폭 현상이 일어나기 시작한다 (hv/Eg ≧ 3~4).

*용어설명

양자선(quantum wire, 나노미터(10-9 m) 크기의 1차원 구조로 전자의 움직임이 1차원에 구속되어 있는 계) 혹은 양자점(quantum dot, 나노미터 크기의 반도체 나노입자로 크기가 물질 고유의 전자-양공 간격(엑시톤보어반지름) 보다 작아 양자구속 효과를 보이는 계), 2차원 물질 등이 여기에 해당된다.

쇼클리-퀘이저 한계: 가장 대표적인 태양전지인 실리콘태양전지에서 흡수된 태양에너지는 대부분은 열로 손실되고, 적외선 파장대는 실리콘태양전지에 전혀 흡수되지 않아 에너지 효율이 제한적이다. 이를 이론적으로 환산한 최대변환효율이 33.7%로, 이를 쇼클리-퀘이저 한계라고 부른다.