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 태양전지의 효율성을 크게 향상시킬 수 있는 방안이 CSM(Colorado School of Mines)의 Mark Lusk 및 동료들의 연구에 의해 제시되었다. 연구팀의 최근 연구결과에 따르면, 빛 흡수 입자인 양자점(quantum dot)의 크기가 에너지를 전자로 전달하여 전기를 생산하게 하는 입자의 능력에 어떤 영향을 미치는지 보여주고 있다.
본 연구결과는 ACS Nano지 4월 호에 게재될 예정이다.
이번의 진보적 연구결과는, MEG(multiple exciton generation)라고 불리는 개념을 지지하는 증거를 제시하고 있다. MEG는 빛 에너지를 흡수한 전자인 엑시톤(exciton)이 하나 이상의 전자에 에너지를 전달해 주는 것이 가능함으로 인해 동량의 흡수광으로부터 더 많은 전기를 생산하는 것이 가능하다는 이론이다.
양자점은 인위적으로 만든 원자로 작은 공간 안에 전자를 구속한다. 이것들은 원자와 유사한 거동을 함으로써 나노크기에서 특이한 전자적 특성을 갖는다. 이런 독특한 특성은 특히 빛이 물질과 반응하는 것을 조절하는데 유용하다.
MEG와 양자점 크기 간의 관련성을 규명하려는 실험은, 이전에 보고되었던 연구들에서 주요한 주제가 되어왔다. MEG를 통해 전류를 형성하는 능력은 이제 많은 관심을 받고 있는데, 그것은 MEG의 상업화를 실현하기 위한 필수조건이기 때문이다.
이 연구를 위해, Lusk 등은 국립과학재단이 지원하는 고성능 컴퓨터 클러스터를 사용하여 MEG 속도와 양자점 크기 간의 관련성을 정량화하였다. 연구팀은 각 양자점은 태양 스펙트럼의 한 슬라이스(slice)에 해당하므로 MEG를 수행하는데 최적의 대상이며, 작은 양자점이 큰 양자점에 비해 슬라이스 내에 MEG를 더 효율적으로 운반한다는 것을 발견하였다. 즉, 태양 스펙트럼에 특별히 맞도록 제작된 양자점으로 만든 태양전지는 양자점을 이용하지 않고 만든 태양전지에 비해 훨씬 더 효율적이라는 것을 발견하였다.
Lusk는, 빛의 단일 광자로부터 한 개 이상의 엑시톤을 생산할 수 있는 나누구조의 물질을 설계할 수 있게 되었으며, 기존에는 단지 태양전지의 온도를 높이는 결과를 낳았던 에너지의 대부분을 활용할 수 있게 되었다고 강조하고 있다.
첨부그림> 빛 에너지를 흡수한 전자인 엑시톤이, 그 에너지를 한 개 이사의 전자에 전달함으로써 동량의 빛을 흡수해도 더 많은 전기를 생산할 수 있음을 보여주는 MEG에 대한 모식도. 좌측 그림은 고에너지 상태(청색)로 여기된 전자와 전자가 비워진 홀(적색)을 보여주고 있다. 우측 그림은 원래의 엑시톤(짙은 녹색/적색)과 MEG 후의 새로운 엑시톤(밝은 녹색/오렌지색)을 보여주고 있다. 위쪽 그림은 아이디어를 형상화한 것이고, 아래쪽 그림은 동일한 색상을 사용하여 actual exciton과 actual exciton을 표현한 것이다.
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=20707.php
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