나노선 태양전지＋유전체 코팅기술=효율 2배 상승

국내 연구팀, 관련 기술 개발

▲질화규소 물질의 유전체 껍질이 도입된 PN 접합 실리콘 나노선 태양전지의 모식도.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 나노선 태양전지에 값싼 유전체 코팅기술을 도입해 효율을 2배 정도 높인 제품이 개발됐다. 나노물질을 이용한 태양전지의 문제점 중 하나인 광 흡수율 떨어짐 현상을 해결할 가능성을 열었다.

국내 연구팀이 차세대 무한 재생에너지의 소재로 주목받고 있는 나노선 태양전지에 저렴한 유전체 코팅기술을 도입해 효율을 2배가량 높였다. 이는 나노물질을 이용한 태양전지의 근본적인 문제점인 광 흡수율 저하를 해결하는 단초를 열었다는 점에서 의미가 있다.

나노선은 지름 100~300나노미터, 길이 수 십 마이크론의 가느다란 실과 같은 형상의 나노 물질로 나노선 합성 과정에서 물질의 조성 비율, 도핑 등을 조절할 수 있어 태양전지, 발광다이오드, 레이저와 같은 광전자 소자를 나노 수준에서 쉽게 구현할 수 있다.

나노선 태양전지는 외부에서 들어오는 빛을 자신의 구조 안으로 끌어당기는 광학 안테나 효과와 구조 내 빛의 가둠 효과가 우수하다. 같은 두께의 일반 박막 태양전지보다 단위 부피당 광 흡수율이 2배 이상 우수하다. 광학 안테나 효과(optical antenna effect)란 전파를 효율적으로 수신하기 위해 뾰족한 안테나를 세우는 것처럼 전자기파에 해당하는 빛이 자신의 파장보다 작은 차원의 물체를 만나게 되면 그 주위에 빛이 집중되는 현상이 발생하는 것을 말한다.

본질적으로 나노선은 실과 같은 가느다란 형상에서는 흡수 부피가 작아 전체 광 흡수율은 떨어질 수밖에 없다. 나노선을 이용한 상용 태양전지 개발에 큰 걸림돌이 됐다. 연구팀은 p형과 n형으로 도핑된 실리콘이 나노선 기둥의 내부와 외부를 형성하고 있는 PN 접합 다이오드를 합성하고 비교적 저렴한 방법(플라즈마 화학 기상 증착법)을 이용해 나노선의 최외각 부분을 균일한 두께의 유전체 층으로 도포했다. 유전체 층 도입 전보다 2배가량 광 흡수율을 높였다.

나노선 기둥 최외각에 유전체 층을 적절히 도입하면 광학 안테나 효과가 증대돼 외부에서 들어오는 빛이 얇은 두께의 나노선을 그대로 지나치지 않고 나노선 내부로 입사되는 비율이 증가하는 것을 알아냈다. 이는 연구팀이 암시야 현미경과 분광기를 결합해 만든 산란 스펙트럼 분석 장치를 이용해 유전체 층의 두께에 따른 나노선의 광학 안테나 효과 측정을 통해 입증했다.

코팅된 유전체의 굴절률이 증가할수록 광학 안테나 효과도 증대된다는 사실을 광학 안테나 측정 결과를 통해 확인했다. 이 결과를 바탕으로 높은 굴절률을 가진 질화규소(Si3N4, 굴절률 2.0)를 유전체 코팅에 사용했고 두께 50nm(나노미터)의 매우 얇은 유전체 껍질을 도입해 나노선 태양전지의 효율을 2배가량 높일 수 있었다.

경희대 김선경 교수(제1저자)가 주도하고 미국 노스캐롤라이나 채플 힐 대학(at Chapel Hill) 제임스 카훈(James Cahoon) 교수(교신저자)와 고려대 박홍규 교수가 참여했다. 연구결과는 나노레터(Nano Letters)에 1월 15일자( ※(논문명: Doubling absorption in nanowire solar cells with dielectric shell optical antennas)에 실렸다.

김선경 교수는 "나노선 태양전지 소자는 작은 흡수 부피로 인한 광 흡수 저하가 늘 골치 아픈 문제였는데 추가 공정비용을 최소로 하는 유전체 코팅기술로 광 흡수율을 2배가량 높인 것은 괄목할만한 성과"라며 "기존의 박막구조에만 적용되던 유전체 코팅기술을 나노구조까지 확장해 광학 안테나 향상효과를 설명한 것은 물리학적으로도 의미 있는 발견"이라고 말했다.