|
 태양전지가 태양빛이 닿을 때, 더 높은 전압을 만들 수 있다면, 더 많은 전기 동력을 더 효과적으로 생산할 수 있을 것이다. 반세기 동안, 과학자들은 원자 구조가 전반적인 전기 극성화를 가능하게 해주는 물질인 강유전체(ferroelectrics)가 빛을 받을 때, 매우 높은 광전압을 발달시킬 수 있다는 것을 알고 있었다. 지금까지, 아무도 이 광전압 과정이 정확히 어떻게 일어나는지를 알아내지 못했었다.
이제 미국 에너지국(U.S. Department of Energy)의 로렌스버클리국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)와 버클리캘리포니아대(University of California at Berkeley)의 연구자들이 한 강유전체 물질에 대해서 고-전압 수수께끼를 풀고 같은 원리가 모든 비슷한 물질들에서도 작용할 것이라는 것을 알아냈다. 그 연구진의 결과는Physical Review Letters에 발표되었다.
“우리는 우리의 동료인Ramamoorthy Ramesh의 실험실에서 키운 비스무스 아철산염(bismuth ferrite, BFO)의 매우 얇은 막을 가지고 연구했다. 이들 박막들은 전기 극성화가 다른 방향들을 향하는 --도메인(domains)이라고 불리는--영역을 가지고 있다. Ramesh의 그룹은 이들 도메인 구조를 정교하게 통제하여 막을 만들 수 있었다.”고 버클리연구소의 물질과학부(Materials Sciences Division (MSD))의 Joel Ager가 말했다. BFO가 다양한 독특한 성질들을 가지고 있기 때문에, MSD의 일원이자 버클리 캘리포니아대의 물질과학, 공학, 및 물리학 교수인, Ramesh가 이끈 그룹은 오랫 동안 그 물질로 이루어진 자체제작 장치들을 만들어냄으로써 그 특징들을 연구해왔다.
Ager와 그의 동료들이 연구한, BFO 막들은 수 백 마이크로미터(1미터의 백만 분의 일)의 길이로 확장되는 독특한 주기적인 도메인 패턴을 가진다. 그 도메인들은 각각 50에서 300 나노미터(10억분의 일 미터)에 이르고, 단지 2 나노미터 두께인 도메인 벽들로 구분되는 줄무늬들로 형성된다. 이들 각각의 줄무늬에서 전기적인 극성은 그 이웃들의 극성과 반대이다.
BFO 박막의 넓게 퍼지고 매우 주기적인 도메인 구조 때문에, 그 연구진은, 극성화에서의 차이가 다결정질 물질의 다른 입자들에서 발생하거나, 불순물 원자들을 둘러싸는 것으로 생각되었던, 다른 강유전체들에서 광전압 효과를 이해하기 위해서 시도했던 그룹들이 직면했던 문제들을 피하였다. 반대로, “우리는 BFO에서 만들어진 전기장의 크기와 위치를 매우 정확하게 알았다.”고 Ager는 말했다. 그래서, MSD의 Jan Seidel과 Ager는 많은 도메인에 걸쳐서, 그리고 각각의 분리된 도메인 안에서 무슨 일이 진행되는지에 대해서 “완전한 미시적인 이해”를 얻을 수 있었다.
전기 버킷 브리게이드로부터의 고전압
“우리가 BFO박막들에 빛을 쪼였을 때, 물질 자체의 밴드 갭 전압(band gap voltage)의 여러 배의 매우 큰 전압을 얻었다. 들어오는 양자들이 전자를 풀어주어 이에 상응하는 구멍들을 만들고, --비록 접합점이 없었도, 태양전지 안에 음으로 그리고 양으로 도핑된 반도체가 있을 것이기 때문에--전류가 도메인 벽에 수식으로 흐르기 시작한다.”고 Ager는 말했다.
개회로에서 전류는 도메인 벽에 직각으로 흐르고, 그것을 측정하기 위해서, 그 연구자들은 BFO 막에 닿는 백금 전기 접점을 붙였다. “그 접점에서 멀어질수록, 그 많은 도메인 벽들을 지나가야 해서 더 높은 전압을 가진다.”고 Ager는 말했다.
반대로 전기 극성화된 영역들 사이의 도메인 벽이 증가된 전압에서 중요한 역할을 하는 것이 명백했다. 이 실험적인 관찰결과들은 MSD와 버클리 캘리포니아대,의 Jungiao Wu와 대학원생 Devi Fu가 수행한 연구, BFO의 상세화된 전하-이동 모델을 만드는데 실마리가 되었다.
그 모델은 반대로 향하는 도메인들이 어떻게 과량의 전하를 만들어내고, 그것을 그 이웃에게로 넘기는지에 대해서 놀랍고, 놀랍게도 간단한 그림을 제공했다. 도메인 벽의 각 면의 반대 전하들은 그 전하 운반자들을 분리하도록 하는 전기장을 만들었다. 그 벽의 한 면에서, 전자들이 축적되었고 구멍들이 밀려낫다. 그 벽의 다른 면에서, 구멍들이 축적되고 전자들이 밀려났다.
전자들과 구멍들이 즉각적으로 재결합하게 되면 태양전지가 효율성을 잃게 되는 반면, 그 도메인들의 반대로 극성화된 전하들에 의해서 만들어진 도메인 벽에서의 강한 전기장 때문에 여기서는 그런 일이 일어날 수 없다. “여전히ㅡ, 전자들과 구멍들은 서로서로를 필요로 한다. 그래서 그들은 서로를 찾아서 간다.”고 Ager는 말했다. 구멍들과 전자들이 도메일 벽으로부터 멀어지는 반대 방향으로, 그 전기장이 더 약한 도메인의 중심을 향해서 움직인다. 구멍보다 과량의 전자들이 있기 때문에, 과량의 전자들은 한 도메인으로부터 그 다음으로 ?전체 전류에 의해서 결정된 것처럼, 모두 같은 방향으로?퍼옮겨지게 된다.
“그것은 도메인으로부터 도메인으로 옮겨지는 전자들의 버킷을 가진 버킷 브리게이드(bucker brigade)와 같다. 각각의 도메인으로부터의 전하 기여가 누적되기 때문에, 그 전압은 극적으로 증가한다.”고, 그 단계적인 전압 상승을 “톱니 포텐셜”으로 기술한 Ager가 말했다.
BFO 자체는 태양 전지 재료을 위해서 훌륭한 후보는 아니다?한 가지, 그것은 파란색과 자외선 근처의 빛에만 반응하고, 태양 스펙트럼의 대부분을 제거한다. “그래서 우리는 더 많은 빛을 흡수하는 무언가가 필요하다.”고 Ager는 말했다. 빛에 대한 BFO의 반응의 효율?들어오는 광자 당 전하 운반자의 비율?은 도메인 벽 근처에서 최고다. 매우 높은 전압이 생성될 수 있는 반면에, 강력한 태양 전지의 다른 필수적인 요소인 높은 전류는 부족하다.
그럼에도 불구하고, “우리는 이 효과가 톱니 포텐셜을 가진 어느 시스템에서든 일어날 것이라고 확신하며, 아마도 다른 기하학적인 구조에서도 일어날 수도 있다. 우리는 이미 새로운 후보들을 조사하기 시작했다.”고 Ager는 말했다. 오늘날의 최고의 태양 전지들의 전형적인 고전류와 고효율성에 강유전체에서의 “버킷 브리게이드” 광전합 효과를 결합하는 것은 미래에 특별히 강력한 태양전지 배열로 이끌어 줄 수 있을 것이다.
[그림] 위, 반대 전기 극성을 가진 도메인들.
[참고 원문]
Jan Seidel, Deyi Fu, Seung-Yeul Yang, Esther Alarcon-Llado, Junqiao Wu, Ramamoorthy Ramesh, Joel Ager.Efficient Photovoltaic Current Generation at Ferroelectric Domain Walls. Physical Review Letters, 2011; 107 (12) DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.126805
출처 : http://www.sciencedaily.com/releases/2011/09/110915102858.htm |