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리버사이드 캘리포니아 대학(University of California, Riverside)의 물리학자들은 두 개의 별개의 무기 물질을 결합하고 태양 에너지가 수집되는 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 양자 역학 과정을 생성함으로써 빛을 감지하는 장치인 광 검출기를 개발했다. 광 검출기는 카메라, 휴대 전화, 리모컨, 태양 전지 및 우주 왕복선 패널에서도 거의 보편적으로 볼 수 있다. 이 미세한 소자들은 빛을 전자로 변환하고, 그 이후의 움직임은 전자 신호를 생성한다. 광-전기 변환 효율을 높이는 것은 발명 이후의 광 검출기 제작에서의 주요 목표 중 하나였다. 실험실 연구자들은 이셀렌 텅스텐 (WSe2)의 두 원자 층을 이셀렌 몰리브덴 (MoSe2)의 단일 원자 층에 쌓았다. 이러한 적층 결과로 상위 레이어와 속성이 크게 달라지므로 맞춤형 전자 공학을 가능한 한 최소화할 수 있다. 원자 내에서 전자는 에너지 레벨을 결정하는 상태로 존재하고 있다. 전자가 하나의 상태에서 다른 상태로 이동할 때, 그들은 에너지를 얻거나 잃는다. 특정 에너지 레벨 이상에서는 전자가 자유롭게 움직일 수 있다. 더 낮은 에너지 상태로 이동하는 전자는 다른 전자를 느슨하게 만들기에 충분한 에너지를 전달할 수 있다. 연구팀은 광자가 WSe2 층에 부딪힐 때 느슨한 전자를 두드려 WSe2를 통과하도록 자유롭게 한다는 것을 관찰했다. WSe2와 MoSe2 사이의 교차점에서, 전자는 MoSe2로 떨어진다. 그 다음에 방출된 에너지는 WSe2에서 MoSe2로 두 번째 전자를 방출한다. 두 전자는 자유롭게 이동하여 전기를 생성한다. 일반적으로 전자가 에너지 상태 사이에서 점프하면 에너지가 낭비되고 실험에서는 낭비 에너지가 대신 다른 전자를 생성하여 효율을 배가 시킨다. 이러한 프로세스를 이해하고 이론적인 효율 한계를 넘어선 디자인을 개선하면 새로운 초 효율적인 태양 광 장치를 설계하는 것과 관련하여 큰 의미를 갖는다. 연구 결과는 네이쳐 나노테크놀로지 (Nature Nanotechnology) ( ldquo;Hot carrier-enhanced interlayer electron ndash;hole pair multiplication in 2D semiconductor heterostructure photocells rdquo;)에서 최근 보고되었다. 초기에 광자에 의해 에너지가 공급되는 WSe2의 전자는 WSe2와 관련하여 낮은 에너지를 갖는다. 작은 전계를 가하면 MoSe2로 옮겨져 새로운 에너지에 대한 에너지가 높다. 즉, 이제 에너지를 잃을 수 있습니다. 이 에너지는 운동 에너지로 소산되어 추가 전자를 WSe2에서 벗어나게 한다. 기존의 태양 전지 패널 모델에서 한 광자는 최대 하나의 전자를 생성할 수 있다. 연구원이 개발한 프로토 타입에서 한 광자는 전자 곱셈이라는 프로세스를 통해 두 개 이상의 전자를 생성할 수 있다. 연구팀은 초소형 물질에서 전자가 파도처럼 행동한다고 설명했다. 큰 스케일에서 직관적이지는 않지만 한 광자에서 두 개의 전자를 생성하는 과정은 매우 작은 길이의 스케일에서도 완벽하게 허용된다. WSe2 나 MoSe2와 같은 물질이 전자의 파장에 가까운 차원까지 얇아지면 물질의 성질은 불가해하고 예측 불가능하며 신비한 방식으로 변하기 시작한다. 마치 벽이 막히는 파도와 같다. 양자 역학적으로, 이것은 모든 규모를 변화시킨다. 두 개의 서로 다른 초소형 물질의 결합은 완전히 새로운 곱셈 과정을 야기한다. 두 개를 두 개와 더하면 5가 되는 것과 같다. 소자의 온도를 증가시킴으로써 더 많은 전자가 생성될 수 있다. 실내 온도보다 약간 높은 340 켈빈 (150 ℉)에서 연구팀의 장치에서 전자가 두 배가되는 것을 관찰했다. 이 물질이 실온 부근에서 나타나는 현상은 거의 보이지 않는다. 이 온도가 올라감에 따라 전자가 두 배 이상 증가하는 것을 볼 수 있다. 종래의 광전지 장치에서의 전자 증배는 전형적으로 10-100 볼트의 인가된 전압을 필요로 한다. 연구자들은 전자 배가를 관찰하기 위해 AA 배터리로 공급되는 일반적인 전압 인 1.2 볼트만 사용했다. 저전압 동작과 저전력 소비는 광 검출기와 태양 전지 소재 디자인에서 혁명적인 방향을 예고할 수 있다. 초박형 소재는 전력 생산량을 늘리는 동시에 열 생성을 동시에 제한함으로써 이 경쟁에서 균형을 이룰 수 있다. 연구팀의 장치에서 관찰된 양자 역학 현상이 높은 운동 에너지로 지구의 대기와 접촉하는 우주선이 새로운 입자 배열을 생성할 때 발생하는 현상과 유사하다. 이 물질들은 두꺼운 원자일 뿐이며 거의 투명하다. 향후 페인트나 창문에 들어있는 태양 전지에 포함된 것을 볼 수 있을 것이다. 이 물질들은 유연하기 때문에, 본질적으로 보이지 않을 전력-에너지 수확 기술을 생산하는 착용 가능한 광전지에서의 적용을 구상할 수 있다. |
