Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

지난 반세기 동안 과학자들은 태양 에너지를 포착하는 더 나은 방법을 찾아왔습니다. 실리콘으로 만든 전통적인 태양광 패널이 우리에게 큰 도움이 되어 왔지만, 연구자들은 더 저렴하게 만들고, 생산하기 쉬우며, 햇빛을 전기로 더 효율적으로 변환할 수 있는 재료를 끊임없이 찾고 있습니다. 이 작업에 유망한 재료 중 하나는 페로브스카이트(perovskites)라고 불리는 물질군입니다. 이것들은 빛을 매우 효과적으로 흡수하도록 조정할 수 있는 특정한 반복 구조를 가진 결정체입니다. 그러나 오늘날 사용되는 가장 유명한 페로브스카이트들은 납을 포함하고 있는데, 납은 건강과 환경에 위험을 초래하는 독성 금속이며, 습기나 열에 노출되면 종종 분해되기도 합니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 풍부하고 독성이 없는 원소들, 구체적으로 산소와 황을 혼합한 화합물을 사용하여 만들어진 다른 종류의 페로브스카이트를 탐구하고 있습니다. 목표는 차세대 태양 전지를 가동할 수 있도록 안정적이고 안전하며, 빛을 흡수하는 데 딱 적절한 능력을 갖춘 재료를 찾는 것입니다.

최근 연구에서 멕시코 자카테카스 자립 대학교(Autonomous University of Zacatecas)의 연구진은 이 새로운 재료 중 하나인 바륨 티타늄 옥시설파이드(barium titanium oxysulfide)라는 결정을 제조하고 테스트하는 실험을 진행했습니다. 그들은 바륨 티타늄 산화물(barium titanium oxide)이라는 흔하고 안정적인 분말에서 시작하여, 특수 가열로에서 고온 처리를 거쳤습니다. 단순히 분말을 가열하는 대신, 그들은 황의 공급원 역할을 하는 화학 물질인 이황화탄소 증기를 도입했습니다. 연구진은 혼합물을 600, 700, 800도 섭씨의 세 가지 다른 온도로 가열함으로써, 결정 내의 일부 산소 원자를 황 원자로 교체하고자 했습니다. 연구진은 열을 변화시키는 것이 재료의 내부 구조와 빛 흡수 능력에 어떻게 변화를 주는지 확인하여, 태양 에너지 응용 분야를 위한 완벽한 균형을 찾고자 했습니다.

결과는 온도가 재료의 조성을 제어하는 핵심이라는 것을 보여주었습니다. 열이 증가함에 따라 최종 결정 내의 황 함량은 눈에 띄게 늘어났습니다. 가장 낮은 온도인 600도 섭씨에서 재료는 질량 기준으로 약 14.6%의 황을 포함했습니다. 온도를 700도로 높였을 때 황 함량은 18.2%로 증가했고, 가장 높은 800도에서는 20.2%에 도달했습니다. 이러한 변화는 단순히 더 많은 황을 추가하는 문제가 아니라, 결정의 형태 자체를 근본적으로 변화시켰습니다. 시작 물질은 정방정계(tetragonal) 구조, 즉 원자들의 특정한 기하학적 배열을 가지고 있었습니다. 황이 산소를 대체함에 따라 결정은 서서히 육방정계(hexagonal) 구조, 즉 이 유형의 화합물에 더 안정적인 다른 기하학적 모양으로 변모했습니다. 가장 높은 온도에서 처리된 샘플들이 가장 성공적이었으며, 원래의 형태가 전혀 남아 있지 않은 깨끗하고 잘 정돈된 육방정계 구조를 보여주었습니다.

단순히 형태를 바꾸는 것을 넘어, 열처리는 결정의 품질을 향상시켰습니다. 연구진은 결정질(crystallites)이라고 불리는 아주 작은 개별 결정의 크기를 측정하였고, 온도가 높아짐에 따라 결정이 더 커진다는 것을 발견했습니다. 600도에서 만들어진 샘플은 작고 덜 조직화된 결정을 가졌던 반면, 800도에서 만들어진 샘yle은 더 크고 더 완벽하게 형성된 결정을 가지고 있었습니다. 이는 높은 열이 원자들이 더 깔끔하게 배열되도록 도와, 내부 응력을 줄이고 더 강하고 균일한 재료를 만든다는 것을 시사합니다. 연구진은 또한 빛 기반 기술을 사용하여 재료 내부의 화학 결합을 분석하였고, 황과 산소가 결정 격자 내에 성공적으로 통합되어 그들이 찾던 특정 분자 결합을 형성했음을 확인했습니다.

그러나 가장 중요한 발견은 이 재료가 빛과 상호작용하는 방식에 관한 것이었습니다. 태양 전지가 효율적으로 작동하려면, 그 재료가 '밴드 갭(band gap)'을 가져야 합니다. 밴드 갭이란 전자를 떼어내어 전류를 생성하는 데 필요한 특정한 에너지 양을 의미합니다. 만약 이 간격이 너무 넓으면 재료는 태양 에너지의 많은 부분을 놓치게 되고, 너무 좁으면 에너지를 열로 낭비하게 됩니다. 태양 전지를 위한 이상적인 범위는 1.1에서 1.7 전자볼트(electron volts) 사이의 좁은 창입니다. 연구진은 단순히 온도를 높이고 황 함량을 조절함으로써 이 밴드 갭을 정밀하게 조정할 수 있다는 것을 발견했습니다. 600도에서 만들어진 재료의 밴드 갭은 1.53 전자볼트였습니다. 열을 700도, 그리고 800도로 높임에 따라 밴드 갭은 1.51, 그리고 마지막으로 1.47 전자볼트로 좁아졌습니다. 이 최종 값은 태양 에너지 변환에 최적인 범위 안에 들어와 있습니다.

이 연구는 합성 과정에서 온도를 정밀하게 제어함으로써 새로운 비독성 태양 재료를 설계하는 것이 가능하다는 것을 입증합니다. 연구진은 흔한 산화물을 태양 전지에 매우 적합한 결정 구조와 빛 흡수 특성을 가진 황이 풍부한 페로브스카이트로 변환할 수 있음을 증명했습니다. 이 재료가 아직 공장 현장에 바로 투입될 수 있는 완성된 제품은 아니지만, 이 연구는 이러한 결정을 만드는 방법에 대한 명확한 로드맵을 제공합니다. 높은 온도가 더 많은 황, 더 나은 결정 질서, 그리고 햇빛을 포착하기에 완벽하게 조정된 밴드 갭으로 이어진다는 것을 보여줌으로써, 이 연구는 차세대 친환경적이고 효율적이며 안전한 태양광 기술을 개발하기 위한 실행 가능한 경로를 제시합니다.