마법처럼 높은 효율 200%를 달성한 '해리포터' 광센서

2023년 2월 17일

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녹색광과 이중층 세포를 이용한 Ph.D. 연구원 Riccardo Ollearo는 많은 사람들이 꿈꿀 수 있는 감도를 가진 포토다이오드를 개발했습니다.

여러 개의 셀이 적층된 태양광 패널은 현재 기록을 깨고 있습니다. 놀랍게도 Eindhoven University of Technology와 Holst Center의 TNO 연구팀은 이제 유사한 기술을 기반으로 광전자 수율이 200%가 넘는 포토다이오드를 만드는 데 성공했습니다. 100% 이상의 효율성은 연금술이나 해리포터와 같은 마법을 통해서만 가능하다고 생각할 것입니다. 하지만 그것은 가능합니다. 그 답은 양자 효율과 적층형 태양전지의 마법의 세계에 있습니다.

Eindhoven University of Technology의 교수이자 새로운 Science Advances 논문의 공동 저자인 René Janssen이 설명합니다. "알아요, 믿을 수 없을 만큼 들리네요. 하지만 여기서는 일반적인 에너지 효율에 대해 이야기하는 것이 아닙니다. 포토다이오드의 세계에서 중요한 것은 양자 효율입니다. 태양 에너지의 총량 대신 다이오드가 방출하는 광자의 수를 계산합니다. 전자로 변환됩니다.

"저는 항상 길더와 리라가 있던 시절과 비교합니다. 네덜란드에서 온 관광객이 이탈리아에서 휴가를 보내는 동안 100길더에 대해 100리라만 받았다면 조금 부족하다고 느꼈을 것입니다. 하지만 양자적 측면에서 보면 모든 길더는 1리라로 계산되지만 여전히 100%의 효율을 달성했습니다. 이는 포토다이오드에도 적용됩니다. 다이오드가 약한 광 신호를 더 잘 감지할 수 있을수록 효율이 더 높아집니다."

포토다이오드는 광원에서 광자를 흡수할 때 전류를 생성하는 감광성 반도체 장치입니다. 의료 목적, 웨어러블 모니터링, 광 통신, 감시 시스템 및 머신 비전을 포함한 다양한 응용 분야에서 센서로 사용됩니다. 이러한 모든 영역에서는 높은 감도가 핵심입니다.

포토다이오드가 올바르게 작동하려면 두 가지 조건을 충족해야 합니다. 첫째, 빛이 없을 때 발생하는 전류, 소위 암전류를 최소화해야 한다. 암전류가 적을수록 다이오드는 더 민감해집니다. 둘째, 관련 적외선으로부터 배경광("잡음")의 수준을 구별할 수 있어야 합니다. 불행하게도 이 두 가지는 일반적으로 함께 진행되지 않습니다.

4년 전, Janssen의 박사 중 한 명인 Riccardo Ollearo가 말했습니다. 학생들과 논문의 주요 저자는 이 수수께끼를 해결하기 시작했습니다. 그의 연구에서 Ollearo는 무선 및 인쇄 센서 기술 전문 연구소인 Holst Center의 광검출기 팀과 협력하여 페로브스카이트와 유기 PV 전지를 결합한 장치인 소위 탠덤 다이오드를 구축했습니다.