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광주과학기술원 이상한 교수(왼쪽), 가천대학교 박정웅 교수.(사진제공=한국연구재단) |
국내 연구진이 태양광 흡수율을 향상시켜 더 많은 양의 전기에너지 생산할 수 있는 강유전체 박막 재료를 개발했다.
한국연구재단은 광주과학기술원 이상한 교수와 가천대학교 박정웅 교수 공동연구팀이 비스무스 계 강유전 재료에 전이원소인 철과 코발트를 첨가, 밴드 갭을 현저히 줄이고 광전밀도를 높여 태양광 흡수율이 대폭 높아진 강유전성 박막을 구현했다고 20일 밝혔다.
효율적 전하 분리와 축적이 용이하다는 장점을 지닌 강유전 재료는 기존의 실리콘 기반 태양전지의 효율을 넘어설 수 있는 차세대 재료다.
하지만 일반적 강유전 재료는 높은 밴드 갭을 보유하고 있어 가시광 영역의 빛 흡수가 어렵기에 광소자 등의 다양한 목적으로 응용이 어려웠다.
이에 연구진은 비스무스 계 강유전 재료 박막에 전이원소 코발트와 철을 첨가해 재료의 밴드 갭을 최대 31% 이상, 광전밀도를 최대 25배 이상 향상시켰다.
이로 인해 강유전 재료의 장점인 자발분극 특성이 유지되면서 가시광 영역의 빛 흡수까지 가능해졌다.
또한 산화막 구현 시 기존 연구의 복잡한 초격자 구조와 달리 전이원소 첨가 후 박막을 쌓는 쉬운 방법을 사용함으로서 구현 과정의 산업화 적용 가능성을 높였다.
이와 더불어 밴드 갭 감소의 원인은 비스무스 계 강유전 재료 내에 철과 코발트가 선택적으로 타이타늄을 치환하는 것에 있으며 치환에 따른 밴드 갭 감소의 메커니즘이 철, 코발트 별로 서로 상이하다는 것을 밀도범함수이론 연구를 통해 세계 최초로 규명했다.
이상한 교수는 “전이원소인 철과 코발트를 간단하게 첨가해 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”고 말했다.
교육부 이공학개인기초연구지원사업 등의 지원을 받은 이번 연구결과는 세계적 권위의 과학 학술지 네이처(Nature)의 자매지인‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 17일자 게재됐다.