초박막 a-Si 표면에 나노구조 덧입혀 광흡수 효율 향상

김 미 선 기자

연세대학교 김경식 교수가 주도하고 강구민 박사과정 학생(제1저자)과 한국표준과학연구원 유대혁 박사 및 미국 보스턴 대학의 파딜라 교수가 함께 참여한 연구진이 비정질 실리콘(Amorphous Silicon, a-Si) 기반의 박막형 태양전지 효율을 향상시키는 기술을 개발했다.

비정질 실리콘의 경우 1μm 이하의 비교적 두꺼운 광 흡수층을 사용하면 전하 수집 효율 저하 및 광 열화 현상 등의 문제점이 나타날 수 있기 때문에 100nm 이하의 초박막 광 흡수층을 사용하는 것이 유리하지만, 두께가 얇은 만큼 태양광이 투과하면서 머무르는 시간이 짧아 태양광 흡수율이 낮다는 한계가 있었다. 따라서 초박막 광 흡수층의 태양광 흡수율을 높일 수 있는 기술에 대한 필요성이 요구됐으며, 이를 위해 광 흡수층 표면에 요철을 만들어 태양광이 오래 머물도록 하려는 시도가 일부 있기도 했다. 하지만 이 같은 표면처리에는 반도체 공정기술이 필요할 뿐 아니라, 초박막에는 적용할 수 없다는 단점이 존재했다. 

이 같은 상황에서 이 연구팀은 100nm 이하의 초박막 실리콘 위에 나노 크기의 반구 및 구, 원뿔 모양의 유전체 구조를 덧붙여 광 흡수율을 높일 수 있음을 입증했다. 이들 나노구조는 박막 위에 밀폐된 공간을 만들게 되는데, 태양광이 여기에 갇히면 속삭임 회랑 모드(Whispering Gallery Mode) 공진에 의해 입사광들이 결합을 일으켜 광 흡수율을 높일뿐더러, 박막 표면으로 입사하는 태양빛의 반사를 막는 반사막 역할도 한다. 

연구팀이 분광기 등으로 투과율과 반사율을 측정해 태양광 흡수율을 계산한 결과, 광 흡수율이 최대 1.7배까지 증가했다는 사실을 입증했다. 연구를 주도한 김경식 교수는 “이번 연구에서 제시한 유전체 나노주기 구조 제작 기술은 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 다른 종류의 박막 태양전지에도 쉽게 적용될 수 있기 때문에 광대역의 광 흡수가 가능한 고효율 박막 태양전지 소재 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

초박막 광 흡수층에서의 효과적인 광 흡수 증대 기술 요구돼

비정질 실리콘은 태양전지의 광전 변환 활성층에 사용되는 물질 중 하나로, 소재 비용이 저렴하고 저온 공정 및 대면적 셀 제작이 가능하기 때문에 차세대 박막 태양전지의 소재로 각광받아 왔다. 그러나 비정질 실리콘은 비교적 높은 광흡수 계수를 가지고 있어, 약 1μm 두께의 광 흡수층을 사용한 경우 가시광선 영역에 해당하는 태양광을 대부분 흡수할 수는 있어도, 짧은 Minority Carrier Diffusion Length(<100nm)에 의한 전하 수집효율 저하 및 두꺼운 a-Si 태양전지에서 주로 나타나는 광 열화 현상(Stabler-Wronski Effect) 등의 문제점이 수반됐다.

반대로 매우 얇은 두께의 광 흡수층 사용시에는 태양광 흡수가 충분히 이뤄지지 않아 높은 광전 변환 효율을 기대할 수 없다는 단점이 있었기에, 초박막 광 흡수층(~100nm)에서의 효과적인 광 흡수 증대 기술이 필요한 실정이었다. 이를 위해, 박막 표면을 텍스처링하거나 텍스처링된 금속 전극 표면에 박막을 증착하는 기술들에 대한 연구가 진행됐으나, 이 같은 방식은 텍스처링에 의한 표면적 증가 및 박막 증착 과정에서의 균열 발생에 의해 재결합 캐리어가 증가하고, 이는 다시 전지의 성능 저하를 가져왔다.

이러한 문제들을 해결하기 위해 표면을 텍스처링하지 않은 평평한 비정질 실리콘 위에 금속 혹은 유전체 나노입자들을 덧붙임으로써, 입사되는 빛이 산란되고 흡수층 내에서 도파될 수 있도록 구조를 설계한 연구 결과가 보고된 바 있다. 국내 연구진들은 이 같은 연구 결과에 착안해, 속삭임 회랑 모드 공진을 일으키는 유전체 나노주기 구조들을 이용함으로써 초박막(~100nm) 비정질 실리콘 흡수체에서의 광 흡수율 증대를 실험적으로 관찰 및 증명했다.

초박막 비정질 실리콘 위에 나노구조 덧붙여 광 흡수율 증대

이번 연구에서는 가시광 파장 스케일의 크기를 갖는 헤미스피어(Hemisphere), 나노콘(Nanocone), 나노스피어(Nanosphere), 임베디드 나노스피어(Embedded Nanosphere) 형태의 유전체 나노주기 구조를 초박막 비정질 실리콘 위에 덧붙여 광대역에서 광 흡수율을 증대시킬 수 있음을 실험적으로 증명했다. 

기존 비정질 실리콘 박막 태양전지 연구의 경우 대부분 흡수층 자체를 직접 텍스처링하는 방식들을 이용해 왔다. 하지만 이를 위해서는 복잡하고 비용이 많이 드는 반도체 공정 기술들이 필요하며, 텍스처링에 의해 표면적 및 결함 밀도가 증가함으로써 내부 양자 효율이 저하될 수 있을 뿐 아니라, 아주 얇은 박막(~100nm)에는 적용할 수 없다는 단점이 있었다.

유전체 나노주기 구조들은 나노스피어 리소그래피(Nano sphere Lithography) 및 소프트 리소그래피(Soft Lithography) 기술을 이용해 100nm 두께의 비정질 실리콘 박막 위에 제작됐다. 헤미스피어 및 나노콘 구조는 실리콘 기판 위에 단일층의 폴리스티렌 나노스피어 어레이가 올라간 샘플과 실리콘 나노콘 어레이 샘플을 마스터 몰드로 해 PDMS(Polydimethylsiloxane) 복제 몰드를 만들고, 소프트 리소그래피를 이용해 폴리머 헤미스피어 및 나노콘 구조를 패터닝했다. 

임베디드 나노스피어 구조는 나노스피어 리소그래피를 이용해 제작한 단일층의 나노스피어 어레이를 열박리 테이프(Thermal Release Tape)로 떼어낸 후 폴리머 임베딩(Embedding) 층을 스핀 코팅한 비정질 실리콘 박막 기판 위에 옮겨 붙인 다음 열을 가해 테이프만을 제거하는 방식으로 제작됐다. 

각각의 유전체 나노주기 구조들이 비정질 실리콘 박막의 흡수를 얼마나 증가시키는지 확인하기 위해 UV-Vis-NIR 분광기 및 적분구로 샘플의 투과율과 반사율을 측정했으며, 이 측정값을 바탕으로 샘플의 총 흡수율을 계산했다. 

이를 통해 헤미스피어, 나노콘, 나노스피어, 임베디드 나노스피어 어레이로 이뤄진 유전체 나노주기 구조들이 그레이디드 인덱스(Graded Index) 기반의 반사 방지막 역할을 한다는 사실을 알아냈다. 또한, 각각의 구조 내부에서 속삭임 회랑 모드 공진에 의한 입사광의 인 커플링(In-Coupling) 발생으로 인해, 비정질 실리콘 층 내부에서의 광 경로 및 흡수율이 광대역에 걸쳐 크게 증가함을 실험을 통해 증명했다. 

연구진들은 특히, 임베디드 나노스피어 구조의 경우 비정질 실리콘 박막 위에 증착된 폴리머 임베딩 층에 나노스피어 일부를 심어 넣는 방법을 통해 나노스피어와 박막 실리콘 사이의 접착력 및 기계적 강성을 향상시킬뿐더러, 임베딩 층 내부로 회절되고 산란된 빛들이 도파 모드 효과에 의해 부가적인 광 포획 증대를 가져옴으로써 연구진이 실험한 네 가지 구조 중에서 가장 높은 흡수율 향상 효과를 나타냄을 밝혀냈다. 

이와 더불어, 연구진은 태양광 스펙트럼의 파장대역별 가중치를 반영한 가중 흡수율(Weighted Absorption)과 파장별 전류 밀도(Spectral Current Density) 값을 계산한 결과, 이 값들 역시 임베디드 나노스피어 구조가 가장 우수한 특성을 나타냄을 알아냈다.

공정 간단하고 비용 저렴해 박막 태양전지 소재 성능 향상 기대

이번 연구에서는 초박막 비정질 실리콘 위에 헤미스피어, 나노콘, 나노스피어, 임베디드 나노스피어 형태의 유전체 나노주기 구조를 덧붙여 광대역 광 포획 증대가 가능함을 실험적으로 증명했다.

이 실험 결과, 임베디드 나노스피어 구조는 속삭임 회랑 모드 공진 및 임베딩 층 내부에서의 도파 모드에 의해, 여러 나노주기 구조 중 가장 높은 흡수 증대율을 보인다는 사실을 밝혀냈으며, 폴리머 임베딩 층은 나노스피어와 비정질 실리콘 박막 사이의 접착력을 좋게 하는 역할을 함으로써 기계적 강성도 향상함을 확인했다.

이번 연구에서 제시한 유전체 나노주기 구조 제작 기술은 공정이 간단하고 비용이 저렴하며, 다른 종류의 박막 태양전지에도 쉽게 적용될 수 있기 때문에 고효율 광대역 박막 태양전지 소재의 성능 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 한편, 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 재료분야 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈지 3월 26일자 온라인판에 게재됐다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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