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일반적으로 에너지가 아무리 커도 빛 알갱이(광자) 한 개는 전하 운반입자(캐리어) 한 쌍만 발생시킬 수 있다. 여분의 에너지는 열로 방출되는 까닭에 태양광을 전기로 전환하는 데 이론적인 한계로 작용했다. 다만 특정 조건에서는 발생한 캐리어의 여분 에너지가 두세 쌍 이상의 캐리어를 추가로 발생시키는 ‘캐리어 증폭’ 현상이 일어난다. 이는 태양전지 효율을 크게 높일 열쇠로 주목받아 왔다.
캐리어 증폭 현상이 가능한 물질들 중 2차원 물질에서 캐리어 여분 에너지가 100% 가까이 추가 캐리어로 전환될 것으로 예측됐으나 지금까지 관측된 적은 없었다. 실제 2차원 물질의 빛-전기 변환 효율이 이론값을 크게 밑돌았을 뿐만 아니라 캐리어 증폭을 일으킬 수 있는 조건을 갖춘 2차원 소재는 합성하기도 어려웠기 때문이다.
이후 연구진은 전자의 움직임을 펨토초(fs·1000조 분의 1초) 단위로 분석하는 초고속 분광법을 이용해 순식간에 발생하는 캐리어 증폭 현상을 실시간으로 분석했다. 캐리어의 수명은 펨토초 수준으로 매우 짧은데다 연쇄적으로 발생하기 때문에 이를 효과적으로 추출하기 위해서는 적절한 분광법이 필요하다. 먼저 아주 짧게 지속하는 펨토초 레이저로 캐리어를 1차로 발생시킨 다음 시간차를 두고 여분의 에너지가 여러 쌍의 캐리어로 전환되는 과정을 별개의 레이저로 관측했다. 이때 캐리어와 레이저가 상호작용하는 신호를 종합해 캐리어 발생 메커니즘과 증폭된 캐리어의 밀도 변화를 계산했다.
그 결과 먼저 발생한 캐리어의 여분 에너지가 최대 99% 효율로 추가 캐리어를 발생시키는 것을 관찰했다. 이는 기존에 양자점에서 관찰됐던 캐리어 증폭 효율인 약 91%보다 월등하게 높다. 현재 쓰이고 있는 실리콘 태양전지는 열 손실이 커 빛에서 전기로 변환되는 효율은 33.7%가 한계다. 이번에 합성한 2차원 물질을 활용하면 변환 과정에서 캐리어의 여분 에너지를 99% 활용할 수 있어 태양전지 효율을 46%까지 끌어올릴 수 있을 것으로 전망된다.
네덜란드 암스테르담 대학과 공동으로 진행한 이번 연구는 국제학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 2일(한국 시각) 온라인 게재됐다.