초박막 광센서, 태양전지 효율 획기적으로 높이는 기술 발표돼

KU-KIST융합대학원 이철호 교수 연구팀, ‘고효율 원자층 박막 광전자소자’ 개발

나노과학 분야 국제적 학술지 Nano letters에 논문 발표

▲ 왼쪽부터 이철호 교수, 양승훈 석박사 과정 

고려대 KU-KIST융합대학원 이철호 교수팀(양승훈 석·박사 통합과정)은 서울대 이관형 교수, 세종대 홍석륜 교수팀과 공동 연구를 통해, 원자층 두께를 가지는 2차원 반도체 p-n 접합을 이용한 광센서, 태양전지 등의 광전자소자의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

연구팀은 차세대 반도체로 각광받고 있는 2차원 반도체 물질인 p형 반도체 WS₂와 n형 반도체 MoS₂을 적층하여 만든 p-n 접합 다이오드*에서 모노리식 상변환을 통한 정공 수송층 (WOx)을 도입함으로써 계면의 접촉저항을 크게 낮출 수 있었다. 이를 통해 소자 내의 전하 수송 및 수집을 촉진시킴으로써 광전지 효율을 획기적으로 향상할 수 있었다 (0.7% → 5.0%).

* 전기적 성질이 서로 다른 p형 반도체와 n형 반도체 간의 이종 접합으로 기본적인 소자를 구성하며, 태양광 등 외부 빛을 흡수해 전기적 신호나 에너지를 생성하는 광소자로 사용된다.

연구팀의 결과는 2차원 반도체 기반 광전자소자의 성능에 큰 영향을 미치는 계면 접촉저항을 효과적으로 낮추고, 활성 반도체층에 손상을 가하지 않으면서 효율을 높이는 신방법론과 이론적 검증을 제시했다는 점에서 학문적 의의가 있다. 이 연구 결과는 투명하고 유연한 형태의 고성능, 초박막 광전자소자 개발을 가능케 하여, 향후 디스플레이, 태양전지, 모바일/웨어러블 전자기기 등 기술·산업적 파급효과 또한 클 것으로 기대된다.

▲ 2차원 반도체 p-n 접합의 모식도와 단면 TEM 이미지, 상변이 된 구조 (WOx/WSe₂)의 향상된 광전지 효율, 상변이 된 소자의 밴드 구조.

이번 연구는 한국연구재단(NRF-2017R1A5A1014862 (SRC Program: vdWMRC Center), 2017R1D1A1B03035441, and 2018M3D1A1058793)과 KU-KIST school 사업, 고려대 연구사업의 지원 아래 고려대 KU-KIST 융합대학원 이철호 교수(양승훈 석·박사통합과정) 연구팀 주도로 진행됐다. 또한 박홍규 교수(고려대), 이관형 교수(서울대), 홍석륜 교수(세종대), 정후영 교수(울산과학기술원)가 공동연구에 참여했다.

연구 결과는 향후 2차원 반도체 기반의 고효율 광소자로의 새로운 응용 가능성을 높이 인정받아, 재료 및 나노과학 분야 권위 학술지 중 하나인 나노레터스(Nano Letters. Impact Factor: 12.28) 3월 19일자에 게재됐다. 

* 논문명 : Monolithic Interface Contact Engineering to Boost Optoelectronic Performances of 2D Semiconductor Photovoltaic Heterojunctions, doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05162

* 저자 정보 : 양승훈 (고려대학교, 제1저자), 박홍규 교수 (고려대학교, 공동저자), 정후영 교수 (UNIST, 공동저자), 홍석륜 교수 (세종대학교 공동교신저자), 이관형 교수 (서울대학교 공동교신저자), 이철호 교수 (고려대학교, 교신저자) 포함 총 12명

※ 첨부 : 연구자 사진 각 1매.   끝.