[논문]투명전극을 이용한 광전소자

김준동

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문제 정의

본 연구에서는 ITO 나노와이어의 성장과 금속체 코팅을 통한 효율적인 플라즈모닉 제어기술에 대해 연구하고자 한다. 구조체의 크기와 물질을 제어하면 단파장/중파장/장파장의 입사광에 대한 조율이 가능하여, 효과적인 다층의 태양전지 (multijunciton solar cells)를 구성할 수 있다.
이러한 것은 투명전도 TCO 나노돔의 크기와 높이의 기하학적인 설계를 바탕으로, 입사광의 흡수함수 (absorption function)를 해석하는 것이 가능하다. 본 연구에서는 태양광의 효과적인 이용을 위해, 구조체의 설계를 병행하게 된다. 이는 나노구조의 크기와 주기를 포함한 광학적 설계를 근간으로 한다.
투명전도체 (transparent conductor) 의 특징은 빛이 투과할 수 있으면서도 전기저항이 낮은 특성을 가지고 있어야 하며, 전통적인 ITO (indium-tin-oxide) 물질이 전반적으로 사용되고 있으나, 희토류 물질인 indium의 자원의 부존량의 제한에 따른 가격상승과 수급의 불균형 등으로 대체 물질인 AZO (aluminum-doped ZnO)이 활발히 연구되고 있으며, 최근에는 Ag 등의 금속 나노와이어를 이용한 연구도 활발히 진행되고 있다. 이 원고에서는 투명전도체를 태양전지의 성능향상 기법과 자외선 감지센서에 대한 동향에 관해 정리하였다.

제안 방법

그림 2. (A) ITO/AZO 교번 접합을 이용한 TCO 성능 향상의 결과, (B) AZO 기반의 ITO 물질성장에 대한 TEM 분석.
AZO를 모재로 하여, ITO를 AZO층 위에 성장시킬 경우, 투과도는 AZO 정도로 향상되고, 전기적 성능은 ITO 정도로 향상되는 것을 확인하였다. 또한, AZO 위에 성장되는 ITO 층은 유사에피성장 (hetero epitaxial growth)을 통해 결정성이 향상되는 것 또한 확인하였다. 이 기술을 이용하면, 광학적/전기적 특성이 향상된 TCO기반의 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 보인다.

성능/효과

이러한 각각의 장점을 취합하여, 이종 TCO 접합을 구성할 경우에는 전기전도성과 광학적 투명도가 더욱 우수해질것으로 예상되며, 다음은 선행연구의 결과이다. AZO를 모재로 하여, ITO를 AZO층 위에 성장시킬 경우, 투과도는 AZO 정도로 향상되고, 전기적 성능은 ITO 정도로 향상되는 것을 확인하였다. 또한, AZO 위에 성장되는 ITO 층은 유사에피성장 (hetero epitaxial growth)을 통해 결정성이 향상되는 것 또한 확인하였다.
TCO 물질에 금속을 삽입한 형태인 TCO/ Metal/TCO 구조물은 전기적 성능을 향상시키는 데 매우 효과적인 것으로 알려졌다. 또한 금속층이 삽입된 유전체 (dielectric materials)는 빛의 반사를 능동적으로 저감시키는 효과를 가지고 있다.
기존의 TCO 물질로 널리 쓰이는 ITO (indium tin oxide)물질과 AZO (aluminum doped ZnO)은 각각의 장점이 있는데, 같은 두께에서는 ITO 물질이 전기전도성이 우수하지만, AZO 물질이 광학적 투명도에서는 더욱 우수한 것으로 알려졌다. 이러한 각각의 장점을 취합하여, 이종 TCO 접합을 구성할 경우에는 전기전도성과 광학적 투명도가 더욱 우수해질것으로 예상되며, 다음은 선행연구의 결과이다.
태양광이 태양전지에 많이 입사하기 위해서는 적은 shading 면적이 필요하지만, 이는 전기적인 저항을 향상시켜서 전체적인 태양전지 효율을 저감시킨다. 능동적인 전면전극 최소화를 위해서 투명전도성 TCO 층을 이용하면, shading loss를 줄여도 전기적인 성능이 저감되지 않으며, 입사광의 비율이 증대하여 전체적으로 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있다. 아래는 선행 연구의 결과로, shading 면적을 2%로 줄이고, TCO 층을 삽입하여 태양전지의 효율을 향상시킨 결과이다.
본 연구는 p-NiO와 n-ZnO의 접합에 의해 구현되었으며, 가시광의 투과도는 80% 이상이며, 자외선 차단은 90% 이상의 성능을 가진다. 본 구조를 이용하여 고성능의 자외선 센서를 구현할 수 있었으며, 반응속도는 24.2 ms로 NiO 기반의 자외선 센서 중에서 가장 빠른 것으로 판명되었다. 또한 NiO 자체가 전도도가 매우 높아서 인위적인 금속 전극을 제작할 필요가 없으므로, 완전 투명한 광전소자를 구현한 것으로 판단된다.
본 연구는 p-NiO와 n-ZnO의 접합에 의해 구현되었으며, 가시광의 투과도는 80% 이상이며, 자외선 차단은 90% 이상의 성능을 가진다. 본 구조를 이용하여 고성능의 자외선 센서를 구현할 수 있었으며, 반응속도는 24.

후속연구

그러므로 인체에 유해한 UV를 능동적으로 차단하면서 이러한 UV의 광에너지를 이용한 태양광 발전은 환경 친화적인 에너지 발생의 방안이 될 것이다.
투명전도체를 이용한 광전소자의 성능향상은 기본적으로 광학적 투과도의 상승과 전기적 저항성의 저감을 동시에 만족해야 하는 과제를 안고 있다. 또한 저온 공정의 구현은 플렉서블 디스플레이의 필수요소이므로 액상 공정 및 후처리 공정 등의 개발이 수반되어야 한다.
본 연구에서는 TCO층 자체의 전기적/광학적 성능 향상을 이용하여, 더욱 향상된 결과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
또한, AZO 위에 성장되는 ITO 층은 유사에피성장 (hetero epitaxial growth)을 통해 결정성이 향상되는 것 또한 확인하였다. 이 기술을 이용하면, 광학적/전기적 특성이 향상된 TCO기반의 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 보인다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

수전발광 (受電發光) 소자에는 어떤 것들이 있는가?

투명전극을 이용한 광전소자는 빛과 전기에너지의 상호 교환방식에 관한 것이다. 전기에너지로부터 캐리어를 발생시켜서 빛을 발생시키는 LEDs, Lightings, Displays 등의 수전발광 (受電發光) 소자가 있으며, 입사광으로부터 전기에너지를 발생시키는 수광발전 (受光發電) 형식의 태양전지가 대표적인 소자이다. 웨이퍼를 이용한 1세대 태양전지를 제외한 모든 광전소자는 빛의 입출입 가능하도록 투명전극의 이용이 필수적이다.

투명전도체는 어떤 특징을 가지고 있어야 하는가?

투명전도체 (transparent conductor) 의 특징은 빛이 투과할 수 있으면서도 전기저항이 낮은 특성을 가지고 있어야 하며, 전통적인 ITO (indium-tin-oxide) 물질이 전반적으로 사용되고 있으나, 희토류 물질인 indium의 자원의 부존량의 제한에 따른 가격상승과 수급의 불균형 등으로 대체 물질인 AZO (aluminum-doped ZnO)이 활발히 연구되고 있으며, 최근에는 Ag 등의 금속 나노와이어를 이용한 연구도 활발히 진행되고 있다. 이 원고에서는 투명전도체를 태양전지의 성능향상 기법과 자외선 감지센서에 대한 동향에 관해정리하였다.

광전소자의 투명전도 물질로 널리 쓰이는 물질은 어떤 것들이 있는가?

기존의 TCO 물질로 널리 쓰이는 ITO (indium tin oxide)물질과 AZO (aluminum doped ZnO)은 각각의 장점이 있는데, 같은 두께에서는 ITO 물질이 전기전도성이 우수하지만, AZO 물질이 광학적 투명도에서는 더욱 우수한 것으로 알려졌다. 이러한 각각의 장점을 취합하여, 이종 TCO 접합을 구성할 경우에는 전기전도성과 광학적 투명도가 더욱 우수해질것으로 예상되며, 다음은 선행연구의 결과이다.

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