국내 연구진, 저비용으로 태양전지 효율 2배↑

국내 연구진이 차세대 무한 재생에너지의 소재로 주목받고 있는 나노선 태양전지에 저렴한 유전체 코팅기술을 도입해 효율을 2배 가량 개선시키는 신기술을 개발했다.

이를 통해, 태양전지의 근본적인 문제점인 광 흡수율 저하를 해결하는 단초를 열게됐다. 향후 실리콘뿐만 아니라 모든 반도체 물질의 나노선 태양전지에 확대할 수 있을 것으로 보인다.

나노선 태양전지는 외부에서 들어오는 빛을 자신의 구조 안으로 끌어당기는 광학 안테나 효과와 구조 내 빛의 가둠 효과가 우수해 같은 두께의 일반 박막 태양전지보다 단위 부피당 광 흡수율이 2배 이상 뛰어나다.

그러나 본질적으로 나노선은 실과 같은 가느다란 형상이어서 흡수 부피가 작아 전체 광 흡수율은 떨어질 수밖에 없어 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 도포하여, 유전체 층 도입 전보다 2배가량 광 흡수율을 높였다.

나노선 기둥 최외각에 유전체 층을 적절히 도입하면 광학 안테나 효과가 증대되어 외부에서 들어오는 빛이 얇은 두께의 나노선을 그대로 지나치지 않고 나노선 내부로 입사되는 비율이 증가한다.

또한, 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 도입하여 나노선 태양전지의 효율을 2배가량 높일 수 있었다.

김선경 경희대 교수는 “나노선 태양전지 소자는 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 설명했다.

한편, 김선경 경희대 교수가 주도하고 제임스 카훈 미국 노스캐롤라이나 채플 힐 대학 교수와 박홍규 고려대 교수가 참여한 이 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업지원으로 수행됐고, 연구결과는 나노 과학기술 관련 권위지인 나노레터(Nano Letters)에 지난달 15일자로 게재됐다.