주요 연구성과
NEW 안영환 교수팀, 차세대 태양전지 물질 이용 새로운 양자 에너지준위 구현
- 2020-10-06
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우리 학교 안영환 교수 연구팀이 차세대 태양전지에 널리 활용되고 있는 물질에서 새로운 양자 에너지 준위를 구현해냈다.
안영환 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀의 이번 연구 성과는 <나노 레터스 (Nano Letters), IF 12.344> 9월호에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘Phonon-Polaritons in Lead Halide Perovskite Film Hybridized with THz Metamaterials(페로브스카이트-메타물질 하이브리드 구조의 테라헤르츠파 포논-폴래리톤 발생)’이다. 이번 연구에는 우리 학교 물리학과 하나영 교수, 박지용 교수, 이순일 교수와 UNIST 김대식 교수가 참여했다. 우리 학교 물리학과 대학원 박사과정의 김환식 학생은 제1저자로 참여했다.
연구팀은 페로브스카이트 박막과 투명 망토 제작에 활용되는 메타물질을 결합한 하이브리드 소자를 제작하고, 적외선과 마이크로파 사이에 존재하는 테라헤르츠파(THz) 영역의 광 특성을 관측했다. 실험에는 차세대 고효율 태양전지로 각광받고 있는 납 할라이드(laed halide) 계열의 페로브스카이트 소재가 활용되었다.
이에 페로브스카이트 물질의 진동 모드가 메타구조에 집속된 전자기파와 강하게 반응, 포논-폴래리톤(phonon-polariton)이라고 부르는 새로운 에너지 준위(energy level)를 구현하였다. 에너지 준위는 원자와 분자가 가지는 에너지의 값으로, 전자가 에너지를 흡수하거나 방출하면서 가지는 에너지 수준을 말한다.
연구팀은 새로이 발견한 에너지 준위가 여러 조건에 따라 가변성을 보인다는 사실을 밝혀냈다. 그 중 가장 큰 영향을 미치는 조건은 무엇보다 페로브스카이트 박막의 결정성으로 나타났다. 연구팀은 나노 결정의 성장 차원(1차원, 2차원, 3차원)에 따라 포논-폴래리톤의 에너지 준위 동역학이 달라진다는 사실을 최초로 발견했다. 또 시간에 따라 성장하는 나노결정과 빛의 상호작용을 기술하는 새 모델을 도입하는 데 성공했다.
안영환 교수는 “이번 연구 성과가 차세대 태양전지 박막의 결정성 평가 및 태양전지 효율 최적화에 활용될 수 있을 것”이라며 “페로브스카이트-메타물질 하이브리드 구조에 대한 후속 연구를 통해 차세대 양자광학 광원으로 활용도 가능할 전망”이라고 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원으로 수행됐다.
페로브스카이트 박막과 메타물질의 결합을 통해 구현한 새로운 양자준위 구현 원리도