빛의 트릭: 연구원들이 실리콘을 직접 밴드갭 반도체로 바꾸다

캘리포니아 대학교 어바인 캠퍼스의 연구진은 빛과 물질이 상호작용하는 새로운 방식을 만들어내어 초박형 실리콘 태양 전지를 제조하는 데 성공했습니다. 이를 통해 열전 의복, 차량 및 기기 충전을 포함한 광범위한 분야에 에너지 변환 기술을 확산하는 데 도움이 될 수 있습니다.

최근 ACS Nano 저널의 표지 기사로 게재된 논문의 주제인 이 개발은 UC 어바인 연구자들이 빛과 상호 작용하는 방식을 통해 순수 실리콘을 간접 밴드갭 반도체에서 직접 밴드갭 반도체로 변환하는 것에 달려 있습니다.

UC 어바인 팀은 러시아 카잔 연방 대학과 텔아비브 대학의 과학자들과 협력하여 재료 자체를 변경하는 대신 빛을 조절하는 혁신적인 접근 방식을 탐구했습니다. 그들은 벌크 반도체 근처의 3나노미터 미만의 거칠기에 광자를 가두어 빛에 새로운 속성인 확장된 운동량을 부여하여 빛과 물질 간의 새로운 상호 작용 경로를 열었습니다. 연구원들은 실리콘 표면을 "장식"함으로써 빛 흡수를 수십 배나 증가시켰고 장치 성능도 크게 향상되었다고 말했습니다.

"직접 밴드갭 반도체 재료에서 전자는 원자가에서 전도대로 전이합니다. 이 과정은 에너지 변화만 필요하며 효율적인 전이입니다." UC Irvine의 화학 조교수이자 주저자인 Dmitry Fishman이 언급했습니다. "실리콘과 같은 간접 밴드갭 재료에서는 전자에 전이가 발생하는 데 필요한 운동량을 제공하기 위해 포논이라는 추가 구성 요소가 필요합니다. 광자, 포논, 전자가 같은 장소와 시간에 상호 작용할 가능성이 낮기 때문에 실리콘의 광학적 특성은 본질적으로 약합니다."

그는 간접 밴드갭 반도체인 실리콘의 열악한 광학적 특성이 태양 에너지 변환과 광전자공학 전반의 개발을 제한한다고 말했습니다. 실리콘은 지각에서 두 번째로 풍부한 원소이자 전 세계 컴퓨터와 전자 산업의 기반을 갖춘 물질이라는 점을 고려할 때 이는 단점입니다.

"광자는 에너지를 전달하지만 운동량은 거의 없지만, 교과서에 설명된 이 이야기를 바꾸고 어떻게든 광자에게 운동량을 부여한다면, 추가 입자가 필요 없이 전자를 여기시킬 수 있습니다." 공동 저자인 UC 어바인 화학 교수인 에릭 포트마가 말했습니다. "이것은 상호작용을 광자와 전자라는 두 입자로 줄이는데, 이는 직접 밴드갭 반도체에서 발생하는 것과 유사하며, 빛 흡수를 10,000배 증가시켜 물질 자체의 화학을 변경하지 않고 빛-물질 상호작용을 완전히 변형합니다."

공동 저자인 UC Irvine 명예 화학 교수 Ara Apkarian은 "이 현상은 빛이 물질과 상호작용하는 방식을 근본적으로 변화시킵니다. 전통적으로 교과서는 물질이 빛을 흡수하고 광자가 전자의 에너지 상태만 변경하는 소위 수직 광학 전이에 대해 가르쳐줍니다. 그러나 운동량이 강화된 광자는 전자의 에너지 상태와 운동량 상태를 모두 변경하여 이전에는 고려하지 않았던 새로운 전이 경로를 열어줍니다. 비유적으로 말해서, 이러한 광자는 대각선 전이를 가능하게 하므로 '교과서를 기울일' 수 있습니다. 이는 물질이 빛을 흡수하거나 방출하는 능력에 극적인 영향을 미칩니다."라고 말했습니다.

연구자들에 따르면, 이 개발은 1.5나노미터 미만의 미세한 반도체 제조 기술의 최신 발전을 이용할 수 있는 기회를 제공하며, 이는 광 감지 및 광에너지 변환 기술에 영향을 줄 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

"기후 변화의 영향이 확대됨에 따라 화석 연료에서 재생 에너지로 전환하는 것이 그 어느 때보다 시급합니다. 태양 에너지는 이러한 전환에서 핵심이지만, 우리가 의존하는 상업용 태양 전지는 부족합니다."라고 포트마는 말했습니다. "실리콘은 빛을 흡수하는 능력이 좋지 않아 이러한 전지는 햇빛을 효과적으로 포착하기 위해 두꺼운 층(거의 200마이크로미터의 순수 결정질 재료)이 필요합니다. 이는 생산 비용을 증가시킬 뿐만 아니라 전하 캐리어 재결합 증가로 인해 효율성이 제한됩니다. 우리의 연구 덕분에 현실에 한 걸음 더 가까이 다가간 박막 태양 전지는 이러한 과제에 대한 솔루션으로 널리 알려져 있습니다."

이 연구의 다른 공동 저자로는 UC Irvine의 Jovany Merham과 Aleksey Noskov, Kazan Federal University 연구원 Elina Battalova와 Sergey Kharintsev, Tel Aviv University 연구원 Liat Katrivas와 Alexander Kotlyar가 있습니다. 이 프로젝트는 Chan Zuckerberg Initiative로부터 재정 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241031130403.htm