태양전지 개발에 지표 될 광전류 발생 위치 규명

대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 이종수 에너지공학전공 교수 연구팀이 빛을 전류나 전압으로 변환하는 포토트랜지스터에서 새로운 이종접합 구조를 개발하고, 광전류 생성 위치와 노이즈 전류 생성의 원인을 규명했다고 28일 밝혔다. 태양전지 및 다양한 광전류 생성 소재 및 소자 연구에 중요한 지표를 제공할 것으로 기대된다.

이종수 DGIST 에너지공학전공 교수(오른쪽)와 정민혜 석박통합과정생
이종수 DGIST 에너지공학전공 교수(오른쪽)와 정민혜 석박통합과정생

2차원 물질은 물질을 구성하는 원자들이 마치 종이처럼 얇게 하나의 층으로만 구성돼 있는 물질을 뜻한다. 그 중에서도 '전이금속 디칼코게나이드(TMDC)'는 우수한 물리적 성질과 전기적 특성을 지닌 차세대 반도체 물질이다. 하지만 광전류 생성 원리 및 전하 균형 최적화 등 다양한 조건을 만족해야 한다.

연구팀이 구현한 소자 회로도 및 레이저에 의한 광전류 매핑
연구팀이 구현한 소자 회로도 및 레이저에 의한 광전류 매핑

연구팀은 광전류 생성에 충분한 에너지 확보를 위해 서로 다른 세 종류의 TDMC를 붙여 새로운 구조의 포토트랜지스터를 개발했다. 개발된 포토트랜지스터는 양극의 텅스텐 디셀레나이드(p-WSe₂), 음극의 이황화텅스텐(n-WS₂)과, 이황화몰리브덴(n-MoS₂) 세 종류 TDMC이 접합된 이종접합 포토트랜지스터다. 연구팀은 개발한 포토트랜지스터를 이용해 광전류가 생성되는 정확한 위치 분석과 전류량 측정 연구를 성공했다.

또 실시간 광전류 매핑시스템을 자체 개발해 광전류 생성의 정확한 위치를 정확하게 분석할 수 있도록 했다. 전자와 정공 사이 전하 균형에 따라 플리커 노이즈와 샷 노이즈 원인 분석 연구도 함께 진행했다.

이번 연구는 2차원 소재 및 하이브리드 소재를 이용한 태양전지, 광센서, 전계발광소자 개발에 필요한 광전류 생성 원리와 위치 등을 정확히 규명·추적하는데 지표가 될 전망이다.

이종수 교수는 “이차원 TMDC 소재 우수성을 잘 활용하면 새로운 물성 확보 및 소자특성을 개선한 전자 및 광전소자 개발이 가능할 것이라는 생각에 연구를 시작하게 됐다”면서 “실용화를 위해 다양한 추가 연구를 진행할 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 DGIST 에너지공학전공 나현수, 정민혜 석박통합과정생이 공동 주저자로 참여했으며, 한국연구재단의 중견후속과제 및 DGIST Pre-CoE 연구과제 지원하에 수행됐다. 연구결과는 최근 재료과학, 물리학 분야 최고 학술지 중 하나인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com