나노다이오드를 이용한 핫전자 태양전지 기술 개발
상태바
나노다이오드를 이용한 핫전자 태양전지 기술 개발
  • 이서은 기자
  • 승인 2011.11.07 01:26
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

빛과 표면 플라즈몬의 개념을 도입해 핫전자를 이해하고 측정해

 

 우리 학교 EEWS 대학원 박정영 교수팀이 태양광을 흡수해 생성되는 핫전자와 표면 플라즈몬의 상관관계를 규명했다. 이번 연구결과는 나노과학 분야의 저명한 학술지 <나노 레터스> 9월 14일 자 온라인 속보에 게재되었다.

높은 에너지를 가진 전자, 핫전자

 금속의 자유전자는 상온에서 26 meV 정도의 열에너지를 가지는데, 핫전자는 이보다 100배 이상 높은 1~3 eV 정도의 에너지를 가진 전자를 말한다. 우리가 흔히 말하는 ‘들뜬 전자’와 같다고 할 수 있다.

 금속의 표면에 빛이 흡수되거나, 화학 반응이 일어나거나 마찰력으로 에너지가 전달되는 데에는 크게 두 가지 경로가 있다. 첫 번째는 격자 진동으로 열이 발생하는 것이고, 두 번째는 자유전자가 에너지를 흡수해 핫전자가 생성되는 것이다. 이 두 가지 경로는 혼재되어 있는데, 금속 표면에 일정한 에너지를 주고 핫전자를 측정하면 어느 경로가 더 우세한지를 알 수 있다.

금속과 반도체가 만난 나노 다이오드

 박 교수는 핫전자의 검출에 얇은 금속 박막과 반도체로 이루어진 나노 다이오드를 사용했다. 두 물질 사이에는 높은 에너지 장벽인 샤키 배리어(Schottky barrier)가 형성되어야 하는데, 이번 연구에서는 이 장벽을 높이기 위해 금속은 금을, 반도체로는 티타늄 산화물을 사용했다. 이 때 에너지 장벽은 1eV 정도로, 이 장벽을 넘고 검출되는 전자를 핫전자라고 할 수 있다.

 티타늄 산화물은 티타늄과, 티타늄은 금과 저항접촉(ohmic cont-act)에서 연결된다. 샤키 배리어를 넘어온 전자는 곧바로 붕괴되고, 결과적으로 전하를 중화시키기 위해 저항접촉으로 전자의 흐름이 발생한다. 이 전류를 검출하면 핫전자의 발생 정도를 측정할 수 있다.

표면 플라즈몬은 핫전자를 증폭시킨다

 나노 다이오드 금속박막의 표면에는 수십 나노미터 크기의 나노 섬이 형성되어 있는데, 크기에 따라 고유 공명파를 가진다. 이 위로 빛을 쏘아줬을 때 나노 섬의 공명파와 빛이 본래 가지고 있던 주파수가 잘 겹치면 진동이 일어난다. 이때 발생하는 것이 표면 플라즈몬(surface plasmon)으로, 금속 박막 표면에서 자유전자의 집단적 진동을 말한다.

 플라즈몬 공명이 일어나면 전자들이 가질 수 있는 상태의 가능성(Density Of State, DOS)이 순식간에 증가한다. 표면 플라즈몬으로 핫전자가 증폭되는 것은 이 DOS의 증가라는 개념에서 정성적으로 이해할 수 있지만, 정량적 측정은 아직 연구가 진행되고 있다.

경험적 아닌 설계적으로 새로운 나노 물질 개발 가능해

 박 교수는 이번 연구가 더 응용되면 복합 나노 촉매 등 여러 가지 새로운 종류의 나노 소재를 개발할 수 있을 것으로 전망했다. 이전까지는 경험적으로 어떤 물질을 개발했다면 이제는 나노 입자의 크기, 모양, 성분을 조절하면서 기능성 나노 물질을 개발할 수 있다. 또한, 기존에는 핫전자가 생성되는 화학 반응이 일어나기 전과 후를 비교한 뒤 중간 상황을 예측했는데, 이번 연구를 응용하면 그 화학적인 에너지 전달 과정을 원자력 현미경이나 여러 분광 기법들을 이용해 직접 관찰할 수 있다.

빛과 표면 플라즈몬으로 핫전자를 이해한다

 기존에는 촉매 도중에 검출되는 핫전자에 초점을 맞춘 촉매 나노 다이오드 연구들이 많이 진행되었는데, 박 교수팀의 연구는 최초로 핫전자 연구에 빛과 표면 플라즈몬의 개념을 도입했다. 핫전자는 에너지가 소모되는 과정에서 기본 요소이기 때문에, 이를 제어할 수 있으면 빛을 더 잘 흡수하거나 에너지 전달을 더 원활하게 할 수 있다. 또한, 화학 반응에서 광촉매와 같은 새로운 종류의 소재도 개발이 가능하다. 이런 원리 규명과 기본적인 기작의 이해를 바탕으로, 에너지 장벽이 낮은 물질과 큰 물질을 잘 접목하면 효율이 높은 에너지 소자 개발도 가능하다.

 박 교수는 “이번 연구는 빛과 표면 플라즈몬 개념의 도입으로 표면과학에서 굉장히 중요한 연구 주제인 ‘핫전자’에 대한 이해를 한 단계 넓혔다”라며 “이를 공학적으로 잘 응용하면 보다 효율이 높은 광전소자나 태양 전지 개발에 응용될 수 있을 것이다”라고 이번 연구의 의의를 밝혔다.

▲ 나노다이오드를 이용한 핫전자 태양전지 모식도. 금속 박막에 도달한 빛은 전자를 여기시키고, 이렇게 생성된 핫전자는 티타늄 산화물 박막과의 에너지 장벽을 넘어 검출된다. 실리콘 산화물은 절연체의 역할을 한다

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
0 / 400
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사
이슈포토