▲ 김선경 경희대 교수가 이번 연구를 주도했다. .

국내 연구진이 저비용의 간단한 유전체 증착 공정을 통해 태양전지의 효율을 획기적으로 개선하는 기술을 개발했다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 김선경 경희대 교수가 주도하고 제임스 카훈 미국 노스캐롤라이나 채플 힐 대학교수와 박홍규 대학 교수가 참여한 연구팀이 차세대 무한 재생에너지의 소재로 주목받고 있는 나노선 태양전지에 저렴한 유전체 코팅기술을 도입해 효율을 2배가량 높였다.

나노선은 지름 100~300나노미터, 길이 수 십 마이크론의 가느다란 실과 같은 형상의 나노 물질로 태양전지, 발광다이오드, 레이저와 같은 광전자 소자를 나노 수준에서 쉽게 구현할 수 있다.

나노선 태양전지는 외부에서 들어오는 빛을 자신의 구조 안으로 끌어당겨 빛의 가둠 효과가 우수해, 같은 두께의 일반 박막 태양전지보다 단위 부피당 광 흡수율이 2배 이상 우수했다.

하지만, 본질적으로 나노선은 실과 같은 가느다란 형상이어서 흡수 부피가 작아 전체 광 흡수율은 떨어질 수밖에 없어, 나노선을 이용한 상용 태양전지 개발에 큰 걸림돌이 됐다.

실리콘 물질로 성장시키는 나노선태양전지는 원통의 P형으로 도핑된 실리콘과 외곽의 n형으로 구성돼있다. 연구팀은 성장이 완료된 후 플라즈마 기상증착법을 통해 나노선의 최외각 부분을 균일한 두께의 유전체 층으로 도포했다.

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

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.

아울러, 유전체 코팅을 통한 나노선의 광학 안테나 증대 효과는 실리콘 물질 뿐만 아니라 다른 반도체 물질(GaAs, InP, CdS 등)로 이루어진 나노선 구조에도 여전히 유효함을 전자기학 계산을 통해 입증하였다.

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”이며, “기존의 박막구조에만 적용되던 유전체 코팅기술을 나노구조까지 확장해 광학 안테나 향상효과를 설명한 것은 물리학적으로도 의미 있는 발견”이라고 연구의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(신진연구자 지원) 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노 과학기술 관련 권위지인 나노레터(Nano Letters)에 1월 15일자로 게재되었다.

▲ (左)질화규소 물질의 유전체 껍질이 도입된 PN 접합 실리콘 나노선 태양전지의 모식도(中)유전체 껍질 도입에 의해 실리콘 나노선 태양전지의 광전류가 ~80% 증가하고 있음을 보여주는 측정 결과(右)유전체 껍질 도입 전후로 광학 안테나 효과를 분석한 전자기학 계산 결과.