박정영 KAIST 교수팀, 나노과학 학술지 'Nano Letters' 9월 14일자 게재

한국연구재단(이사장 오세정)은 태양광을 흡수해 생성되는 핫전자 태양전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다고 6일 밝혔다. 이번 연구는 KAIST(한국과학기술원·총장 서남표) EEWS 대학원의 박정영 교수가 주도하고 이영근 석사과정, 정찬호 박사과정이 참여해 진행됐다.

박 교수팀은 금속박막과 산화물 반도체로 이루어진 나노다이오드를 이용해 빛에 의해 표면에 생성된 핫전자를 검출하고, 나노다이오드 금속박막의 표면처리를 통해 수십 나노미터 크기의 나노섬 형태로 변형했다.

이러한 나노섬은 표면플라즈몬을 보여준다. 연구팀은 나노다이오드에 검출된 핫전자를 측정하여 표면플라즈몬에 의한 핫전자의 증폭을 관찰했다. 이는 표면플라즈몬이 핫전자의 생성을 극대화시키고, 이 원리는 태양전지의 효율을 높이는데 활용될 수 있다.

박 교수는 "핫전자를 정확히 이해하고 측정하는 것은 에너지 손실과정을 근본적으로 이해할 수 있도록 도와준다는 점에서 표면과학과 에너지공학에서 매우 중요하다. 이번 핫전자 원천기술의 개발은 핫전자를 이용한 고효율 에너지 전환소자 개발에 응용이 될 수 있을 것으로 기대된다"고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구의 결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 'Nano Letters' 온라인 속보에 9월 14일자로 게재됐다.
 

▲이영근 석사과정생(제1저자)과 박정영 교수. ⓒ2011 HelloDD.com
※용어설명 ▲핫전자 (hot electron) 외부에서 에너지가 표면에 전달될 때 에너지 전환과정에 의해서 표면에 핫전자 (hot electron) 가 생성되게 된다. 이 때, 외부에너지는 광의 흡수, 분자의 흡착이나 촉매반응 등의 화학 반응, 전자 혹은 이온의 충돌 등의 다양한 현상을 포괄한다. 전달된 에너지는 표면에서 핫전자의 여기를 가능하게 된다. 산화물 박막으로 이루어진 나노다이오드를 이용하여 이러한 핫전자의 검출이 가능하다. 이러한 핫전자의 이해와 측정은 에너지 손실과정의 원자적 규모에서의 이해를 가져다준다는 점에서 중요성을 지닌다. ▲표면 플라즈몬 (surface plasmon) 금속의 표면에서 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자. 빛과 금속내의 자유전자(free electron)와의 상호작용에 의한 결과로 빛이 금속표면에 갇힌 것을 표면 플라즈몬 공명(surface plasmon resonance)이라 하고, 이 표면 플라즈몬공명의 결과로 표면에서의 전자기장(electromagneticfield)의 세기가 증폭하게 된다. 금속에서 빛이 흡수되는 cross-section이 표면플라즈몬에 의해서 변하게 되며 따라서 빛의 투과율이 표면플라즈몬이 보이는 특정한 파장에서 변하게 된다. ▲나노 다이오드 (nanodiode) 얇은 금속 박막과 반도체 (산화물 반도체 혹은 화합물 반도체 등)로 이루어지며 핫전자가 표면에 발생한 후 Schottky 에너지 장벽을 넘고 검출되어진다는 개념이다.
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