전자의 움직임이 가시화됨
새로운 방법은 태양전지 재료 페로브스카이트를 통한 전하 수송을 보여준다

강력한 수송:
물리학자들은 페로브스카이트의 결정면을 통해 전자가 어떻게 이동하는지 처음으로 가시화했으며 놀라운 사실을 발견했다. 이 전자재료의 전하 수송은 놀랍게도 국소적인 결정립 경계 및 기타 불규칙성에 영향을 받지 않는다. 더 큰 규모에서는 특히 효율적인 전자 이동의 유망한 핫스팟이 나타나고 있다. "Nature Photonics" 팀에 따르면 이는 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 다른 전자재료를 최적화하는 데 도움이 될 수 있다. 

▲ 새로운 방법은 태양 전지 및 기타 광전자 공학을 보다 효율적으로 만들 수 있는 물질인 금속 할로겐화물 페로브스카이트의 나노 결정을 통해 전자가 어떻게 이동하는지 처음으로 보여준다(그림).© Brad Baxley (Part to Whole)

LED, 레이저 또는 태양전지 등 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 광전자 응용 분야에서 특히 유망한 재료로 여겨진다. 구성에 따라 결정 구조는 밴드 갭을 쉽게 조정할 수 있는 전자 구조를 생성해 페로브스카이트를 맞춤형 반도체로 만든다. 페로브스카이트를 사용한 태양전지는 이미 일반적인 실리콘 시스템보다 더 높은 수준의 효율성을 달성했다. 또 다른 장점은 페로브스카이트는 실리콘 부품보다 저렴하고 생산하기 쉬우며 박막 모듈로 처리할 수도 있다.

전하 수송의 미스터리

페로브스카이트가 광전자 공학적으로 효율적인 이유는 지금까지 부분적으로만 알려져 있었다. 금속 할로겐화물 페로브스카이트로 만든 태양전지의 기록적인 효율성은 특히 효과적인 전하 캐리어 확산에 기인한다고 레겐스부르크 대학의 마틴 지즐스퍼거(Martin Zizlsperger)와 그의 동료들은 설명한다. "면외 전하 수송의 정확한 특성은 설명하기 매우 어렵다. 물리학자들은 결정의 분자층이나 격자 면을 넘어서는 움직임을 "면외(out-of-plane)"라고 부른다.

페로브스카이트 태양전지의 경우, 이는 햇빛에 의해 들떠 더 높은 에너지 준위로 올라간 전자 또는 양으로 하전된 격자 공극이다. 결과적으로 이제 그들은 자유롭게 움직이고 소멸될 수 있다. 즉, 전기가 생성된다. 이러한 전하 수송이 더욱 효율적으로 발생할수록 태양전지의 효율은 높아진다. 그러나 페로브스카이트의 경우, 이 전하 수송은 아직 정확하게 지도화되거나 연구되지 못했다.

그 이유는 페로브스카이트 결정 구조가 균질하지 않기 때문이다. 한편, 페로브스카이트는 실온에서 두 개의 서로 다른 결정상을 형성할 수 있는 반면, 결정립계는 파괴적인 효과를 유발한다.

▲ 전형적인 페로브스카이트 결정 구조. © Solid State/ CC-by-sa 3.0

원자력 피크 및 테라헤르츠 근접장 사용

이제 지즐스페르거(Zizlsperger)와 그의 팀은 페로브스카이트 결정의 과정을 처음으로 자세히 관찰할 수 있는 방법을 찾았다. "우리가 새로 개발한 방법을 통해 처음으로 전하 수송, 결정 구성 및 결정 형태 사이의 복잡한 상호 작용을 나노 규모에서 직접 관찰할 수 있게 되었다"고 Regensburg 대학의 수석 저자인 Rupert Huber는 설명한다. “이는 페로브스카이트 태양전지를 목표로 삼은 방식으로 더욱 개선하는 데 사용될 수 있다.”
측정을 위해 물리학자들은 먼저 원자력 현미경과 테라헤르츠 방사선 및 근접장 현미경을 결합하여 샘플의 결정 구조를 볼 수 있게 만들었다. 현미경 끝부분의 테라헤르츠 펄스가 재료를 자극한다. Zizlsperger는 “우리는 나노결정체의 원자를 진동시키게 된다”며 "원자의 배열에 따라 이는 산란된 빛에 지문과 같은 명확하게 식별 가능한 서명을 남긴다. 이 분석은 페로브스카이트 격자가 입방정 결정상을 갖는 위치와 삼각 결정상을 갖는 위치를 보여준다"고 설명했다. 팀이 보고한 바와 같이 크기가 약 100나노미터인 입자와 그 경계도 볼 수 있었다.

속도계로서의 레이저 펄스

그런 다음 두 번째 단계가 이어졌다. “우리는 국소 결정 구성이 전자와 정공의 역학에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해 나노분광학을 초단시간 규모로 확장하고 있다”고 연구진은 보고했다. 이를 위해 그들은 페로브스카이트 샘플에 2개의 테라헤르츠 레이저 펄스를 연속적으로 빠르게 충격을 가했다. 첫 번째는 여기로 사용되었고 두 번째는 측정 펄스로 사용되었다.

"아주 간단히 말해서 혐의는 거울처럼 작용한다"고 레겐스부르크 대학의 공동 저자인 Svenja Nerreter는 설명했다. “예를 들어, 이제 전하가 측정 지점에서 아래쪽으로 이동하면 두 번째 레이저 펄스가 나중에 반사된다. 단 몇 펨토초에 불과한 이 작은 시간 오프셋을 통해 우리는 전하의 정확한 움직임을 재구성할 수 있다”고 연구원은 원리를 설명했다. 실제로 이 방법을 사용하면 여기된 전자가 서로 다른 결정의 미로를 통해 어떻게 이동하는지 볼 수 있다.

놀랍게도 영향 받지 않아

놀라운 사실이 나타났다. 페로브스카이트는 불균일한 나노 구조로 구성되어 있지만 수백 나노미터의 국소 범위에서 수직 전하 수송을 거의 늦추지 않는 것 같다. "전하 전파는 놀랍게도 나노 형태와 화학적 구성의 변화에 ​​영향을 받지 않는다"고 보고했다. "조사된 영역에서 우리는 다양한 크기의 입자, 입자 경계 또는 표면 오염과 같은 지형학적 불규칙성에 관계없이 모든 곳에서 국부적으로 균일한 확산 계수를 측정했다.“

이는 페로브스카이트 태양전지가 왜 그렇게 효율적으로 작동하는지 잠재적으로 설명할 수 있다. 동시에 분석을 통해 추가 개선을 위한 옵션도 밝혀졌다. 마이크로미터 범위에서 전하 수송에 확실히 차이가 있음을 보여주었기 때문이다. 수백 개의 나노결정으로 구성된 이러한 "핫스팟" 중 일부에서는 전자와 정공이 더 쉽게 더 멀리 이동했다. 이는 페로브스카이트 구성 요소를 더욱 향상시키기 위해 재료에서 이러한 핫스팟의 밀도를 특별히 높이려고 노력할 수 있음을 의미한다.

기타 전자재료에도 유용

물리학자들은 “이러한 질문을 명확히 하면 차세대 태양전지를 위한 페로브스카이트 재료의 잠재력을 최대한 활용할 수 있다”고 말했다. 그들의 새로운 측정 방법은 트랜지스터에서 고온 초전도체에 이르기까지 광전자 공학 응용 분야에서 다른 나노 결정질 재료를 최적화하는 데에도 도움이 될 수 있다.
(Nature Photonics, 2024; doi: 10.1038/s41566-024-01476-1)
출처: 레겐스부르크 대학교 Universität Regensburg

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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