핫홀(hot hole)은 빛에너지가 금속나노구조체에 흡수될 때 발생하는 고에너지 상태의 전자구멍으로, 빛을 전기 또는 화학 에너지로 바꿀 수 있다.
때문에 핫홀을 활용해 태양광에너지 변환이나 고효율 광전소자를 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다.
그러나 핫홀은 ㎰(피코초) 수준의 짧은 시간에 에너지를 잃고 사라지기 때문에 이를 효율적으로 모으는 기술이 필요하다.
빛을 전기에너지로 전환
KAIST 화학과 박정영 석좌교수팀이 인하대 신소재공학과 이문상 교수팀과 공동연구로 핫홀 흐름을 증폭시키고, 이를 실시간 국소전류 분포 맵핑해 광전류 향상 메커니즘을 규명했다.
연구팀은 금속나노그물망을 특수 반도체 소재인 p형 질화갈륨 기판 위에 배치한 나노 다이오드 구조를 만들어 기판 표면이 핫홀 추출을 촉진토록 설계했다.
그 결과 핫홀 추출 방향과 동일한 질화갈륨 기판에서는 다른 방향의 질화갈륨 기판보다 핫홀의 흐름 증폭 효과를 2배 증가시키는 데 성공했다.
또 광전도성 원자힘현미경(pc-AFM) 기반 광전류 맵핑 시스템을 활용해 머리카락 두께 10만 분의 1 수준에서 핫홀의 흐름을 실시간 분석했다.
이를 통해 핫홀 흐름이 주로 금나노그물망에 빛이 국소적으로 집중되는 핫스팟에서 강하게 활성화되지만, 질화갈륨 기판의 성장방향을 바꿈에 따라 핫스팟 이외의 영역에서도 핫홀 흐름이 활성화되는 현상을 확인했다.
아울러 이 과정에서 연구팀은 빛을 전기 및 화학 에너지로 변환하는 효율적인 방법을 찾았다. 이를 활용하면 차세대 태양전지, 광촉매, 수소생산 등의 기술이 크게 발전할 것으로 기대된다.
박 교수는 “나노 다이오드기법을 이용해 핫홀의 흐름을 처음으로 제어할 수 있었고, 이를 이용해 다양한 광전소자 및 광촉매 응용에 혁신적인 기여를 할 수 있을 것”이라며 “태양전지나 수소 생성 등 태양광을 이용한 에너지 변환기술에 획기적인 발전을 기대할 수 있을 것”이라고 설명했다.
이어 “실시간 분석기술을 개발해 광센서, 나노반도체 소자 등 초소형 광전소자 개발에도 응용이 가능하다”고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 KAIST 화학과 이현화 박사와 텍사스 오스틴대 화학공학과 박유진 박사후연구원이 제1저자로, 박 교수와 인하대 신소재공학과 이문상 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
연구결과는 국제학술지‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 지난 7일 온라인에 게재됐다.
(논문 제목: Reconfiguring hot-hole flux via polarity modulation of p-GaN in plasmonic Schottky architectures)
