태양 빛을 완벽히 가두는

튜브형 실리콘 나노 구조체 개발

 

- 낮은 종횡비나노 구조체에서 빛 흡수, 하이브리드 태양전지 성능 향상 기대
- GIST 정건영 교수팀, Advanced Materials 6월호 Back-Inside Cover Article

 

 

      

 

 

□ 국내 연구진이 차세대 에너지원으로 주목받는 ‘하이브리드 태양전지’의 주재료로 사용되는 실리콘의 빛 흡수율을 획기적으로 높일 수 있는 튜브 형태의 나노 구조체 개발에 성공했다. 이번 성과는 실리콘 태양전지의 광전(光電) 변화 효율을 극대화 시키는 방법으로, 하이브리드 태양전지 뿐 아니라 실리콘 기반의 다른 광전소자의 효율을 획기적으로 향상시킬 방법으로 기대된다.

  *하이브리드 태양전지(유‧무기 복합 태양전지): 기존 무기물 기반의 p-n 접합을 사용하지 않고 유기물과 무기물의 접합을 이용해 제작한 태양전지. 실리콘과 같은 무기물 위에 전도성 고분자를 얇게 코팅해 제작하므로 고온과정이 생략돼 공정 가격을 낮추는 장점이 있다. 

 

  o 지스트(GIST․광주과학기술원) 신소재공학부 정건영 교수(교신저자)가 주도하고 정희수 박사과정생(제1저자)이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터사업(NCRC)과 미래융합 파이오니어사업을 통해 수행되었고, 재료과학 분야의 저명한 국제학술지인 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials) 6월 최신호 표지논문(Back-Inside Cover Article)으로 게재되었다. (논문명: Enhanced Light Absorption of Silicon Nanotubes array for Organic/Inorganic Hybrid Solar Cells)

 

□ ‘하이브리드 태양전지’는 무기반도체 위에 전도성 유기고분자를 코팅 접합시켜 만드는 태양전지로서, 기존 p-n 접합 실리콘 태양전지의 고온 공정 과정을 생략해 보다 저렴한 가격으로 생산 가능한 차세대 태양전지이다.

 

  o 기존에는 하이브리드 태양전지의 빛 반사율은 낮추고 흡수율은 높이기 위해 종횡비(縱橫比)가 큰 나노선(nanowire), 나노막대(nanorod), 나노콘(nanocone) 등 다양한 형태의 실리콘 나노 구조체를 접목했다.

 

  o 하지만 종횡비가 큰 나노 구조체의 경우 표면이 거칠어 유기 고분자의 균일한 코팅을 방해하기 때문에, 태양전지의 효율과 추후 전극 형성 공정을 방해하는 단점이 있었다. 따라서 유기고분자가 코팅이 잘되는 낮은 종횡비에서도 대부분의 빛을 흡수하는 새로운 나노 구조가 필요하였다.

 

 

 

(그림 1) 하이브리드 태양전지 효율 비교를 위한 다양한 형태의 실리콘 나노구조. (왼쪽 위부터 시계방향으로)

짧은 나노막대(SiNR-1), 긴 나노막대(SiNR-2), 나노튜브(SiNT), 나노콘(SiNC) 구조의 전자 현미경 사진

 

 

 

□ 이에 연구팀은 ‘튜브 형태의 실리콘은 낮은 종횡비에서도 빛의 흡수 면적을 급진적으로 늘릴 수 있는 구조라는 점’을 착안, 나노임프린팅(nanoimprinting) 패턴 형성 기술을 응용해 유기 고분자가 균일하게 코팅 될 수 있는 정렬된 실리콘 나노 튜브 구조를 개발했다.

 

  o 기존 하이브리드 태양전지에 사용되는 실리콘 나노막대와 나노콘과 비교해, 나노튜브 구조가 빛을 가두는 능력이 특정 사이즈에서 월등히 좋다는 점을 발견하였고, 이 나노튜브로 하이브리드 태양전지를 제작하면 기존의 나노막대, 나노콘 형태의 하이브리드 태양전지보다 최대 13% 개선된 광전(光電) 변화율을 나타냄을 알 수 있었다. 

 

 

 

 

(그림 2) 각기 다른 실리콘 나노구조체로 제작 한 하이브리드 태양전지의 광 흡수율 및 전기적 특성 비교. (회색: 평판 실리콘(planar Si), 빨강: 짧은 나노막대(SiNR-1), 파랑: 긴 나노막대 (SiNR-2), 녹색: 나노콘(SiNC), 노랑: 나노튜브(SiNT) 구조)

a) 각기 다른 나노구조체로 만든 태양전지의 반사도 측정 그래프: 반사도 값(Y축)이 낮을수록 태양 빛을 잘 흡수 한다는 뜻이며 나노튜브 구조(노랑색)가 가장 낮은 반사도를 갖는다.
b) 태양전지 효율 측정 전류-전압 그래프: 태양전지 효율은 그래프 각 X, Y축 절편의 곱의 크기 비례한다. 따라서 각기 다른 구조로 만든 태양전지와 비교 시, 나노튜브로 만든 태양전지가 가장 높은 효율을 보인다.

 

 

□ 이번 연구는 실리콘의 빛의 흡수율을 획기적으로 높일 수 있는 새로운 나노 구조체를 제시함으로써, 태양전지 뿐 아니라 실리콘 기반의 다른 광전소자의 효율을 향상시킬 방법을 보여주고 있다.

 

  o 정건영 교수는 “이번 연구는 빛을 100% 가까이 이용 할 수 있는 무기 나노 구조체 발견에 의미가 있다”며 “향후 공정 단가를 줄이고 효율이 높은 하이브리드 태양전지 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 밝혔다.    

 

 

 

(그림 3) 600 nm 파장의 입사 빛으로 분석한 다양한 실리콘 구조의 전자기장 분석 시뮬레이션 결과. 빛이 구조체에 잘 흡수된 곳일수록 색깔이 붉은 색을 띄게 된다. (각 그림은 나노구조의 수직 단면에 해당 함)
a) 짧은 나노막대, b) 긴 나노막대, c) 나노콘, d) 나노튜브 e) 600 nm 외에 400, 500, 700 nm의 빛 파장에서의 시뮬레이션한 나노튜브의 전자기장 분석 그림. 나노튜브(d와 e) 구조에서 붉은 색이 가장 많이 나타난다. 시뮬레이션 결과를 통하여 빛이 나노 구조체에 들어 왔을 때 어떻게 흡수 되는지 보여주며 이를 통하여 실리콘 나노 구조의 어떤 곳에서 전자가 발생하는지 유추 할 수 있다.

 

 

 

 

홍보기금팀‧홍보전략부