테라헤르츠 광을 이용한 하이브리드 태양전지 소재의 결정 격자 제어

May 27, 2023

막스 플랑크 협회의 프리츠 하버 연구소(FHI)는 전 세계 과학자들이 과학의 기본 원리를 연구하는 국제 연구 기관입니다.

글로벌 에너지 문제를 극복하고 다가오는 환경 위기에 맞서기 위해 전 세계 연구자들은 햇빛을 전기로 변환하는 새로운 재료를 연구하고 있습니다. 고효율 저비용 태양전지 응용 분야의 가장 유망한 후보 중 일부는 할로겐화 납 페로브스카이트(LHP) 반도체를 기반으로 합니다. 기록적인 태양전지 프로토타입에도 불구하고 이 재료 종류의 놀랍도록 뛰어난 광전자 성능의 미세한 기원은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 현재 막스플랑크 소사이어티 산하 프리츠 하버 연구소, 파리 에콜 폴리테크니크, 뉴욕 컬럼비아 대학교, 베를린 자유대학교 출신의 물리학자와 화학자로 구성된 국제팀이기본 동작에 대한 레이저 구동 제어 시연 LHP 원자 격자의 모습. 원적외선 테라헤르츠 방사선의 단일 광주기 형태로 1조분의 1초(피코초)보다 빠른 급격한 전기장 스파이크를 적용함으로써 연구자들은 전기의 동적 보호 메커니즘에 기여할 수 있는 초고속 격자 응답을 공개했습니다. 요금. 원자 비틀기 운동에 대한 이러한 정밀한 제어를 통해 새로운 비평형 재료 특성을 생성할 수 있으며 잠재적으로 미래의 태양 전지 재료 설계에 대한 힌트를 제공할 수 있습니다.

조사된 하이브리드 LHP 태양전지 재료는 유기 분자를 호스팅하기 위한 주기적인 케이지 역할을 하는 무기 결정 격자로 구성됩니다. 이 하이브리드 격자 및 그 불순물과 자유 전자 전하의 상호 작용은 태양광 에너지에서 얼마나 많은 전기를 추출할 수 있는지를 결정합니다. 이 복잡한 상호 작용을 이해하는 것은 LHP의 뛰어난 광전자 성능을 미시적으로 이해하는 데 핵심이 될 수 있습니다. 베를린에 있는 프리츠 하버 연구소(Fritz Haber Institute)의 연구원들과 그들의 국제 동료들은 이제 100펨토초(100조분의 1초)보다 빠른 시간 척도로 전기장에 대한 격자 반응을 분리할 수 있게 되었습니다. 전기장은 테라헤르츠(THz)라고 불리는 원적외선 빛의 단일 주기만을 포함하는 강력한 레이저 펄스에 의해 적용되었습니다. 이 THz 장은 매우 강력하고 빠르기 때문에 태양광 양자가 흡수된 직후 여기된 전하 운반체의 국지적 전기장을 모방할 수 있다고 이번 실험을 수행한 주요 저자 중 한 명인 Maximilian Frenzel은 설명합니다.

이 접근법을 통해 연구자들은 주로 무기 케이지의 팔면체 구성 블록이 앞뒤로 기울어지는 것으로 구성된 결정 격자의 조화로운 움직임을 관찰합니다. 이러한 비선형 여기 진동은 지금까지 무시되었던 고차 스크리닝 효과로 이어질 수 있으며, 이는 자주 논의되는 전하 캐리어 보호 메커니즘에 기여합니다. "게다가 관련 경사각은 결정학적 위상이나 전자 밴드갭과 같은 기본적인 재료 특성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다"라고 국제 연구 프로젝트의 리더인 Sebastian Maehrlein 박사는 밝혔습니다. 따라서 재료 특성을 정적으로 화학적으로 조정하는 대신 초고속 동적 재료 설계가 가능해졌습니다. "이제 단일 THz 광 주기로 이러한 비틀림 각도를 조절할 수 있으므로 미래에는 재료 특성을 제어할 수 있을 것입니다."라고 Maehrlein은 요약합니다. 필요에 따라 이 신흥 물질 클래스의 새롭고 이국적인 상태를 발견할 수도 있습니다." 이러한 물질의 동적 상태를 평가함으로써 연구자들은 미래의 에너지 물질을 설계하는 데 몇 가지 힌트를 제공할 수 있기를 희망합니다.

- 이 보도자료는 원래 막스플랑크학회 웹사이트의 프리츠 하버 연구소에 게재된 것입니다.