Ajou News
NEW 물리 이형우 교수팀, 고효율 태양전지·광센서 활용 가능 新 벌크 광기전 설계법 개발
- 2026-08-12
- 101
아주대학교 물리학과 이형우 교수팀이 벌크 광기전의 계면 전하 손실을 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 설계 방법을 개발했다. 이 기술은 앞으로 차세대 고효율 박막 태양전지와 광센서·광전자 등의 성능 개선에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이형우 교수(물리학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)는 플렉소전기(Flexoelectric) 효과를 이용해 계면 전하 손실(interfacial carrier loss)을 억제함으로써 BaTiO₃(BTO) 박막의 벌크 광기전(Bulk Photovoltaic, BPV) 효율을 개선했다고 밝혔다.
해당 연구는 ‘플렉소전기 효과를 이용한 BaTiO₃ 박막 벌크 광기전 소자의 계면전하 손실 억제(Flexoelectric Suppression of Interfacial Carrier Loss in BaTiO₃ Thin-Film Bulk Photovoltaic Systems)’라는 제목으로 <어드밴스드 사이언스(ADVANCED SCIENCE)> 7월호에 게재됐다. 이형우 교수가 교신저자로 참여했고, 우리 학교 대학원 에너지시스템학과의 장민우 학생(양자정보 에너지과학 전공)이 제1저자로 연구에 참여했다. 한국과학기술원(KAIST) 양용수 교수도 공동 연구자로 함께 했다.
'벌크 광기전(BPV) 효과'는 물질이 빛을 받으면 별도의 소자 구조 제작 없이도 내부 포텐셜 차로 인해 스스로 전류가 생성되는 현상이다. 이에 기존 PN 접합 기반 광소자의 한계를 극복할 가능성이 있어, 고효율 태양전지나 광센서 개발을 목적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
기존의 벌크 광기전(BPV) 연구는 광흡수율을 높이거나 강유전체 소재의 자발 분극을 향상시켜 더 큰 광전류(Photocurrent)를 생성하는 데 집중해 왔다. 하지만, 실제 벌크 광기전(BPV) 소자에서는 빛에 의해 생성된 광여기 전하가 전극으로 이동하는 과정에서 계면 결함에 의해 재결합되어 상당 부분 손실되는 문제가 항상 존재했다. 이러한 계면 손실은 박막소자의 광전류를 제한하는 큰 원인 중 하나이지만, 이를 직접 억제할 수 있는 방법은 상대적으로 연구가 부족했다.
(a) 일반 벌크 광기전(BPV) 물질에서는 광전류가 형성되어도 계면에서 상당량 전하가 트랩핑되어 실제 광전류의 크기가 매우 적어진다. (b) 반면 변형률 구배를 유도하여 광기전 물질 내부 포텐셜을 제어하면 계면 부근에서의 광전류 손실을 크게 줄일 수 있다.
이에 연구팀은 BTO/SrRuO₃/SrTiO₃(BTO/SRO/STO) 이종구조를 제작하고, 박막 표면에 미세한 기계적 하중을 가해 플렉소전기 효과를 체계적으로 유도했다. 이처럼 외부에서 가해진 힘에 의해 형성된 박막의 미세한 찌그러짐, 다시 말해 변형률 구배(strain gradient)는 추가적인 내부 전기장을 형성하고, 이 내부 전기장이 금속(BTO) 계면 부근에서 광여기 전자의 이동을 가속해 전하가 계면에 머무르는 시간을 감소시킨다.
그 결과 계면 결함에서 발생하는 재결합 확률이 크게 감소, 생성된 전하가 보다 효율적으로 전극으로 수집될 수 있다. 이번 연구에서 연구팀은 기계적 하중이 증가할수록 광전류가 증가하는 것을 확인했으며, 약 50nm 두께의 BTO 박막에서 기계적 하중만으로 최대 약 35배(3557%) 광전류를 향상시킬 수 있음을 입증했다.
더불어 연구팀은 이러한 변형률 구배에 따른 광전류 향상 메커니즘을 설명하기 위해 플렉소전기 분극과 전기적 스크리닝, 전하 이동을 모두 고려한 자가일관(Self-consistent) 전기장 모델을 구축했다. 계산 결과, 실험에서 관찰된 광전류 증가와 최적 박막 두께를 성공적으로 재현했으며, 변형률 전달 길이(strain penetration length), Debye 스크리닝 길이, 플렉소 전기 계수와 같은 구조적·전기적 물성이 계면 전하 추출 효율을 결정하는 핵심 인자임을 규명했다. 이를 통해 플렉소전기 효과가 단순히 광전류를 생성하는 역할을 넘어, 계면 전기장을 재구성해 전하 손실을 근본적으로 줄일 수 있음을 이론적으로 제시할 수 있었다.
이형우 교수는 “이번 연구는 계면 전하 손실을 능종적으로 제어하는 새로운 설계 전략을 제안했다는 점에서 의미가 있다”라며 “기계적 변형만으로 광전류를 크게 향상시킬 수 있음을 입증해 기존 강유전체 광전소자의 성능 한계를 극복할 수 있는 새로운 접근법을 제시한 것”이라고 설명했다.
이어 “이번에 제안한 플렉소전기 기반 계면 제어 기술은 차세대 고효율 박막 태양전지뿐만 아니라 광센서, 광전자 소자 및 다양한 산화물 기반 에너지 변환 소자의 성능 향상에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 덧붙였다.
이번 연구는 한국연구재단의 G-LAMP 사업, 중견연구, 기초연구실지원사업(BRL)의 지원을 받아 수행됐다.