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차세대 실리콘 나노선 태양전지 개발, 기존 평판 전지보다 2.7배 효과적…대량생산 기반 마련

2015-07-09718
“빛 흡수효율 높인 ‘비대칭’ 구조가 해답”

POSTECH, 차세대 실리콘 나노선 태양전지 개발

POSTECH
이 기존에 상용화된 평판 태양전지보다 효율을 2배 이상 늘린 차세대 비대칭형 수직 실리콘 나노선(Nanowire)*1 태양전지 기술 개발에 성공했다.
 
POSTECH 창의IT융합공학과 백창기임태욱교수, 미래IT융합연구원 김기현박사 연구팀은 네이처 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Report)’를 통해 상용 평판 태양전지 보다 최대 2.7배, 기존 나노선 태양전지보다는 최대 1.4배 효율을 끌어 올린 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 기술을 발표했다.
 
세계반도체무역통계기구(WSTS) 등 자료에 따르면, 2015년을 기점으로 태양전지 세계시장 규모가 메모리 반도체 사업 시장을 넘어설 것으로 예상되고 있으며 태양광을 전기로 변환하는 태양전지 원천기술 확보가 핵심 과제로 떠오르고 있다. 수직으로 정렬된 나노선을 이용한 고효율 태양전지 개발에 학계의 관심이 모이는 것은 양자효과로 인해 빛의 전력 변환효율이 높아지기 때문이다. 하지만 기존 나노선의 가느다란 구조 특성 때문에 빛의 흡수 효율을 일정 수준 이상 높이는 것이 쉽지 않은 상황이다.
 
POSTECH 연구팀은 기존 나노선의 효율을 한층 더 높이는 방법에 집중했다. 그 결과 나노선의 상단부 직경을 넓게 하고 하단부 직경을 좁게 만드는 비대칭 구조로 설계하면 반사율이 높아져 태양전지가 빛을 흡수하는 양을 극대화할 수 있다는 사실을 밝혀냈다.
 
연구팀은 이번 연구로 차세대 태양전지 기술을 확보했다는 데 큰 의미가 있다고 설명했다. 특히, 개발된 기술은 국내 실리콘 반도체 공정 기술인 하향식(Top-down) 공법을 그대로 적용할 수 있어 제작 단가를 낮추면서도 대량생산이 가능하다.
 
뿐만 아니라, 연구팀은 나노선 태양전지 기술 확보 과정에서 수직 나노선 어레이 제작기술에 대한 다양한 원천특허(국내등록: 4건, 국제출원: 9건)를 보유하게 돼, 하향식 나노선 기술을 기반으로 한 저가 차세대 실리콘 열전소자(Thermoelectric device) 및 광소자(Photo-detector device) 기술 연구의 기반을 마련하게 됐다.
 
백창기 교수는 “경제적이면서 효율도 높은 태양전지를 대량생산할 수 있는 기반이 마련돼 향후 태양전지 산업에 다각도로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
 
 
1. 나노선(NanoWire)
 수십∼수백㎚(나노미터, 10억분의 1m) 굵기를 가지며, 반도체 물질로 이뤄진 머리카락 형태의 나노 구조체

POSTECH, 차세대 실리콘 나노선 태양전지 개발
 

(a) 탑다운 공정을 이용해 형성된 나노크기 원형 패턴의 주사현미경 사진 (b) 제작된 대칭형 및 비대칭형 수직 실리콘 나노선의 측면 주사현미경 사진 (c) p 타입 실리콘 층이 증착된 후의 대칭형 및 비대칭형 수직 실리콘 나노선의 측면 주사현미경 사진 (d) 제작된 8인치 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 사진 (e) 금속 패드 형성 전의 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 칩 (1cm2) 사진 (f) 금속 패드 형성 후의 비대칭형 수직 실리콘 나노선 태양전지 칩 (1cm2) 사진