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태양광 흡수율 대폭 향상시킨 강유전체 박막 구현

- 가시광 영역 빛까지 흡수 가능해져 태양전지 능률 25배 향상 -

 

이상한 교수팀

 

 

□ 국내 연구진이 강유전체* 박막 재료에 전이원소*첨가 방법을 개발을 통해 태양광 흡수율을 향상하여 더 많은 양의 전기에너지 생산이 가능해졌다.

 

  * 강유전체 : 외부의 전기장이 없이도 스스로 분극(자발분극)을 가지는 재료. 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질. 

  * 전이원소: 주기율표에서 3~12족에 속하는 원소로, 쉽게 합금을 만들 수 있고 산소와 쉽게 반응하여 산화물이 된다. 일반적으로 ABO3 구조를 갖는 강유전체의 경우, B 위치의 양이온이 재료의 밴드 갭을 결정하고, 이러한 B 양이온의 치환을 통해 밴드 갭을 조정할 수 있다. BLT는 B 양이온이 Ti라는 전이원소로 이루어진 재료로, 본 연구의 목적인 BLT의 광학성질 개선을 위해서는 Ti와 비슷한 성질을 갖는 전이원소를 첨가하여 밴드 갭을 조정하는 방식으로 연구가 진행되었다.

 

□  한국연구재단(이사장 정민근)은 교육부 이공학개인기초연구지원사업 등의 지원을 받은 이상한 교수(광주과학기술원)와 박정웅 교수(가천대학교) 공동연구팀, 안현지 박사과정생(제 1 저자)이 비스무스 계* 강유전 재료*에 전이원소인 철과 코발트를 첨가하여, 밴드 갭***을 현저히 줄이고 광전밀도*를 높여 태양광 흡수율이 대폭 높아진 강유전성 박막을 구현하였다고 밝혔다.

 

  * 비스무스계 : 비스무스(Bi)가 원소로 이루어진 재료의 계열

  * 강유전재료(BLT) : 비스무스 란타늄 타이타네이트(Bi3.25La0.75Ti3O12) ABO3의 페로브스카이트 구조를 갖는 Aurivilius상을 가지고 있으며, 강유전성 재료이다. 일반적으로 강유전성을 갖기 때문에 FRAM과 같은 메모리 소자에 주로 사용되었다. 또한 3.2~3.8 eV의 높은 밴드 갭을 보유하고 있어 대부분 자외선 영역의 빛을 흡수

  * 밴드 갭(band gap) : 전자가 존재하는 에너지 레벨(가전도대)에서부터 전자가 존재하지 않는 에너지레벨(전도대) 사이의 에너지 차이를 말한다. 어떤 물질이 열이나 빛을 통해 충분한 에너지를 받게 되면, 가전도대의 전자가 이 밴드 갭을 뛰어넘어 전도대로 이동하게 된다. 이러한 방식으로 전도대로 전자들이 이동하는 현상을 통해 해당 재료에 전류가 흐르게 된다. 태양전지의 경우, 재료의 밴드 갭을 넘어가는 수준의 빛 에너지를 가하면, 가전도대의 전자가 전도대로 이동하면서 전류가 발생하게 되므로, 밴드 갭이 낮을수록 빛 에너지에 반응하는 전자가 늘어나게 된다. 

  * 광전밀도 : 재료의 태양전지로서의 능률을 확인하는 값으로, 재료에 빛을 비춘 상태에서 전압을 걸어주고 그에 따라 발생하는 단위 면적 당 전류 값을 말한다. 즉 재료가 태양광으로 받은 빛에너지를 얼마나 많은 전기 에너지로 변환할 수 있는 지를 의미한다.

 

□ 본 연구결과는 세계적 권위의 과학 학술지 네이처(Nature)의 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 6월 17일자로 게재되었다.

 

그림1

 

<그림1> 코발트, 철을 첨가한 비스무스 란타늄 타이타네이트 박막의 향상된 광전 효과. (a) 본 연구를 통해 확인된 코발트를 첨가한 비스무스 란타늄 타이타네이트 (BLCT)와 코발트와 철을 함께 첨가한 비스무스 란타늄 타이타네이트 (BLFCT) 박막의 광전밀도는 기존의 BLT 박막보다 각각 6배, 25배 향상된 값을 보인다. (b) BLT, BLCT, BLFCT 박막에 대한 광전밀도의 측정방식을 나타낸다. 박막 위에 전극을 형성한 뒤, 박막에 빛을 비추면서 전압을 가했을 때 전극 사이에 흐르는 박막의 전류를 측정한다. 이러한 광전밀도 측정방법을 통해 박막의 흡수된 빛에 의해 발생된 전하의 흐름, 즉 재료의 빛에너지에서 전기에너지로의 변환 능력을 알 수 있다. (c) 광흡수도 결과를 토대로 작성된 모식도이며, BLCT, BLFCT 박막이 BLT박막 보다 상당히 많은 파장대의 빛을 흡수하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 빛 흡수 스펙트럼에서 자외선 영역의 빛만 흡수 가능했던 BLT박막이 코발트, 철의 첨가를 통해 가시광 흡수가 가능한 재료로 변화되었음을 확인할 수 있다. 위 결과를 종합해보면, 전이원소 첨가 법을 이용해 형성된 BLCT, BLFCT 박막은 기존의 BLT박막과 달리 가시광 흡수가 가능하며, 이러한 박막의 광흡수 향상은 광소자에 적용 시에도 상당히 향상된 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.


 

□ 효율적 전하* 분리와 축적이 용이하다는 장점을 지닌 강유전 재료는, 기존의 실리콘 기반 태양전지의 효율을 넘어설 수 있는 차세대 재료이다.

 

  * 전하 : 물체가 띠고 있는 정전기의 양. 같은 부호의 전하 사이에는 미는 힘이, 다른 부호의 전하 사이에는 끄는 힘이 작용한다. 대부분 물체의 전기적 특성은 이러한 전하에 의해서 결정된다.

 

  o 하지만 일반적 강유전 재료는, 높은 밴드 갭을 보유하고 있어 가시광 영역의 빛 흡수가 어렵기에 광소자 등의 다양한 목적으로 응용이 어렵다.

 

□ 이에 이상한 교수 연구팀은 비스무스 계 강유전 재료 박막에 전이원소 코발트와 철을 첨가하여 재료의 밴드 갭을 최대 31% 이상, 광전밀도를 최대 25배 이상 향상시켰다고 밝혔다.

 

  o 이는 강유전 재료의 장점인 자발분극* 특성이 유지되면서 가시광 영역의 빛 흡수까지 가능해진 것으로, 광학 성질이 상당히 개선된 결과이다.

 

  * 자발분극 : 강유전체에서만 나타나는 고유 특성으로, 외부의 전기장이 없는 상태에서 존재하는 전기 분극

 

  o 또한 산화막 구현 시 기존 연구의 복잡한 초격자 구조*와 달리 전이원소 첨가 후 박막을 쌓는 쉬운 방법을 사용함으로서, 구현 과정의 산업화 적용 가능성을 높였다.

 

  * 초격자 구조 : 전자의 양자역학적인 파장과 같은 두께 정도의 결정을 층상으로 여러 층 겹친 구조. 해당 본문에서의 초격자는 인공 초격자구조를 의미하는 것으로, 분자선 에피텍시 혹은 고정도로 제어된 증착 법에 의해 다른 종의 물질을 규칙적으로 겹쳐 쌓아 얻은 구조를 말한다.

 

 

그림2

<그림 2> 시뮬레이션 방법을 통해 계산된 박막 내 밴드 갭 감소 메커니즘 모식도. 그림과 같이 기존의 BLT박막의 밴드 갭은 산소의 오비탈 준위와 Ti의 오비탈 준위에 의해서 결정된다. 그러나 코발트만 첨가된 BLCT의 경우, Ti의 오비탈 준위보다 더 낮은 준위에서 코발트에 기인한 오비탈 준위가 새롭게 생성되고 이로 인해 BLT보다 더 낮은 밴드 갭을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그러나 코발트와 철이 함께 첨가된 경우는 코발트와 철에 기인한 새로운 오비탈 준위가 생기지만, 이로 인해 Ti 오비탈 준위도 함께 낮아져 BLT, BLCT보다 더 낮은 밴드 갭을 갖는 것으로 확인된다. 

 

 

□ 또한 위와 같은 밴드 갭 감소의 원인은 비스무스 계 강유전 재료 내에 철과 코발트가 선택적으로 타이타늄을 치환하는 것에 있으며,

 

  o 이러한 치환에 따른 밴드 갭 감소의 메커니즘이 철, 코발트 별로 서로 상이하다는 것을 밀도범함수이론* 연구를 통해 세계 최초로 규명하였다.

 

  * 밀도범함수이론 : 오스트리아 빈 대학교와의 공동 연구로 진행. 실험데이터 없이 양자역학에 기초하여 물질 내에 있는 전자 밀도의 정보만을 토대로 물질의 전자구조와 물성을 계산하는 이론방법

 

□ 이상한 교수는 “전이원소인 철과 코발트를 간단하게 첨가하여 태양광 흡수율을 대폭 향상시키면서도 자발 분극 특성을 잃지 않는 강유전 박막 재료를 구현한 것은, 강유전체 태양전지 등과 같은 차세대 광소자 구현 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다”며, 연구의 의의를 밝혔다.

 

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