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반도체 태양광 전지(Semiconductor photovoltaic cell)를 이용한 에너지 생산 |
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반도체 태양광 전지(Semiconductor photovoltaic cell)는 일반적으로 전지의 전기적인 띠 간격(bandgap) 과 같은 정도의 에너지를 지닌 빛 아래에서는 가장 효과적으로 에너지를 만드는 것으로 알려져 있다. 이때, 낮은 수준의 에너지(Less-energetic light)를 지닌 빛은 흡수되지 못하며, 높은 수준의 에너지(more-energetic light)를 지닌 빛은 격자 진동(lattice vibrations)이나 광자를 방출함으로써 여분의 에너지를 저장함으로써 전자-홀 쌍(electron?hole pairs)을 만들어낸다. 이와 관련하여 만약, 이러한 전하들이 그들이 여기(relax)되기 전에 추출될 수 있다면, 즉 그 전하들이 활성화되어 있는 동안 추출될 수 있다면 전자 홀 쌍을 만들어내는 효율은 크게 증가될 수 있다. 이제, Xiaoyang Zhu, Eray Aydil, David Norris와 미네소타대(University of Minnesota), 오스틴의 텍사스대(University of Texas)의 동료 연구자들이 빛을 흡수하는 반도체(light-absorbing semiconductor)로부터 전극으로 활성화된 전자의 전달이 가능함을 보여주었다.
연구팀은 일반적으로 사용되는 전자 수용체인 titania로 이루어진 기질 위에 놓여있는 셀레늄화납(PbSe) 나노크리스탈(nanocrystal)의 층으로부터 이러한 전달이 이루어짐을 보여주었다. 작은 나노크리스탈 크기 때문에 에너지 준위 간격(energy-level spacing)은 음향양자(phonon)의 에너지에 크게 의존하게 되며, 이것은 에너지 준위가 떨어지는 속도(cooling rate)를 감소시켜 준다. 더구나, 셀레늄화납에 의해 활성화된 영역의 공간적인 크기가 크기 때문에 기질로의 전자전달의 가능성이 보다 커지게 된다. 적외선의 빛이 셀레늄화납(PbSe) 나노크리스탈(nanocrystal) 층에 조사되었을 때, 이것들은 푸른색의 이차-조화신호(harmonic signal)를 반사했으며 이것은 전자 전달에 의해 야기되는 전기장의 존재에 매우 민감하게 반응한다.
이차-조화 시간(second-harmonic time)의 동역학과 온도 의존성을 연구함으로써 연구팀은 활성화된 전자의 전달체들이 titania에 전달될 수 있음을 보여주었다. 그 효과는 다른 반도체 나노 크리스탈이나 전도성 기질과 거의 비슷하다는 사실을 확인할 수 있었고, 만약 전도성 기질에서의 에너지 손실이 최소화될 수 있도록 결합된다면 그 효과는 현재까지 인간이 만들어낸 가장 효과가 좋은 전자 전달 태양 전지가 될 수 있을 것으로 연구진은 예상하고 있다. 보다 자세한 연구내용은 Nature Nanotechnology: doi:10.1038/nnano.2010.169을 참고하기 바란다.
그림: (A) 셀레늄화납(PbSe) 나노크리스탈(nanocrystal)의 원자힘 현미경 사진 (B) (A)에서 파란색으로 표시된 영역에 상응하는 높이 프로파일(height profile). |
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