나노기술 및 정책 정보

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꾸이저우(貴州) 민족 대학교 류장타오(劉江濤) 교수 연구팀은 중국과학원 마이크로 전자 연구소 우전화(吳振華) 연구원 연구팀과 공동 연구를 실행하고 단일 층 이황화몰리브덴(molybdenum disulfide)을 이용한 동시에 준(準) 1차원 광자 결정체 구조를 이용하여 광자 국소화 상태(localized states)를 실현하는 방안을 제시함.

2차원 층상(層狀) 반도체 재료는 두께 변화를 통해 에너지밴드 구조를 조정할 수 있는 동시에 독특한 반데르발스(van der Waals) 구조를 통해 융통성을 보유하고 있는 이종접합 기능 디자인을 실현할 것으로 기대되나, 효과적으로 자연 방출(spontaneous emission) 손실을 제어하여 태양 전지의 광 흡수 효율을 향상시킬 필요가 있었음. 이번 연구에서 연구팀은 2차원 재료 이종접합과 금속 쐐기 모양의 금속 마이크로 캐비티와 결합한 신형 태양 전지 디자인 방안을 제시하였는데 동 방안은 2차원 이질 태양 전기 광 흡수를 극대화한 동시에 자연 방출(spontaneous emission) 입체각(solid angle) 및 태양광 입체각의 비율을 효과적으로 감소시켰으며, 이런 과정을 통해 광자 흡수와 재방출로 인한 소모를 감소시키는데 성공함. 연구팀은 이론 계산을 통해 신형 태양 전지 흡수 효율의 극한은 약 전통적인 태양광 디바이스의 1.1X 배 수준에 달한다는 점을 입증한 동시에 통합하기 쉬운 일반 광의 집광 시스템을 통한 개선 방안을 제시하였는데 개선 후의 흡수 효율은 전통적인 태양 전지의 완벽한 집광 이온 가설에서의 성능 수준에 도달할 수 있도록 하였음.

이번 연구를 통해 자연방출 손실은 태양 전지의 두께가 증가함에 따라 증가하게 된다는 점을 입증하였으며, 연구팀은 이번 연구를 실행하는 과정에서 2차원 재료를 기반으로 하는 디자인은 현재 극한 두께에 근접한 최적의 방안이라는 결론을 도출하였으며, 연구팀이 개발한 기술이 한층 더 성숙된 후 신형 2차원 태양 전지는 전통적인 반도체 태양 전지를 대체할 가능성을 보유하고 있기 때문에 이번 연구개발 성과는 매우 밝은 응용전망을 보유할 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Physical Review Applied’에 게재됨.