[논문]실리콘 기반 나노구조 태양전지 연구동향 및 전망

최재영; 김인호

실리콘 기반 나노구조 태양전지 연구동향 및 전망 원문보기

태양광발전학회 = Bulletin of the Korea Photovoltaic Society, v.3 no.2, 2017년, pp.27 - 41

최재영 (동아대학교 신소재공학과) , 김인호 (한국과학기술연구원 전자재료연구단)

초록
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태양전지 발전단가 저감을 위해 실리콘 웨이퍼의 박형화는 필수적인 기술로 인식되어 지고 있으며 이로 인해 얇아진 웨이퍼의 물리적 두께를 보상하기 위한 광포집 기술이 더욱 중요해 지고 있다. 이러한 배경으로 광흡수 효율을 극대화하기 위한 방법으로 실리콘 나노구조를 활용하는 연구가 국내외에 매우 활발하게 진행되고 있다. 주로 실리콘 나노구조의 효과적인 설계를 통해 광포집 효과를 극대화하는 연구가 많이 진행되고 있으며, 실험을 통해 Lambertian 한계에 근접하는 광학적인 성능을 얻은 결과들도 많이 보고되고 있다. 그러나, 아직 마이크로 스케일의 피라미드를 활용한 고효율 태양전지의 효율을 상회하지는 못하고 있는 실정이다. 본 논문에서는 실리콘 나노구조를 이용한 광포집 효과의 이론적 한계, 이를 극복하기 위한 연구동향, 저비용 나노구조 제조 공정, 결정질 실리콘 태양전지에의 응용을 위한 기술적 이슈에 대해 논의를 하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

^[2,3] 더 나아가 실리콘 나노 구조의 최적 설계를 통해 이론적으로 Lambertian 한계를 상회할 수 있는 구조 또는 개념에 대한 연구들이 제안되었으나, 이를 실험으로 아직 구현하지는 못하고 있다.^[4]본 연구에서는 실리콘 나노구조를 이용한 광포집 효과의 이론적인 배경 및 한계, 이를 극복하기 위한 연구동향, 실리콘 나노구조 저비용 제조 공정, 나노구조를 결정질 실리콘 태양전지에 응용하기 위한 기술적 이슈에 대해 논의를 하고자 한다.
점변 인덱스 효과가 뛰어난 나노구조체의 주기적 또는 준주기적 배치를 응용하여 광포집 효과가 Lambertian limit에 근접 또는 상회하는 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 다음은 이러한 나노구조체를 저비용, 대면적으로 제조할 수 있는 나노리소그라피 공정의 기술 동향에 대해서 논의해 본다.
“bottom-up” 공정은 표면으로부터 나노구조를 성장시키는 공정으로서 vaporliquid-solid(VSL) 성장 방법이 대표적이며, “top-down” 공정은 표면을 원하는 형상으로 직접 식각하여 구조를 제작하는 공정으로 표면 패터닝 공정과 식각(건식 or 습식) 공정으로 이루어져 있다. 이 장에서는 실리콘 기반 태양전지 제작을 위해 현재 연구 및 응용되고 있는 다양한 나노구조 제작 공정에 대해 논의할 것이다. 나노구조 제작을 위한 보다 일반적 접근법은 top-down 방식으로 기판을 표면으로부터 식각하여 원하는 나노구조를 제작하는 공정이다.

가설 설정

이를 낮추기 위해 보통 단일 박막 또는 다층박막을 이용하여 무반사 코팅을 적용한다. 실리콘 웨이퍼 후면에 이상적인 반사판(R=100%)을 배치하였다고 가정하자. 표면 반사가 무시할 수 있을 정도 낮은 경우(R=0%), 실리콘 웨이퍼로 입사된 빛은 웨이퍼 내부를 지나 후면 반사판에서 반사되어 표면을 통해 웨이퍼 밖으로 빠져 나가게 될 것이다(그림 2(a)).

제안 방법

이러한 점을 보완하기 위해 제안된 방법은 규칙적인 격자와 불규칙한 형태로 배치된 구조체의 중간적 특성을 보이는 준불규칙 구조체로 텍스쳐하는 기술이며, E. Martins는 이러한 준불규칙 구조로 설계된 나노구조체를 전자빔 리소그로피로 제작하여 Lambertian limit에 매우 근접한 광흡수 특성을 보고하였다(그림 3

성능/효과

[23] NSL 공정은 NIL과 달리 마스터 몰드 제작 없이 패터닝의 사이즈 및 주기를 크기가 다른 NS를 적용함으로써 상대적으로 손쉽게 구현 가능하다는 장점을 가진다. 그러나 균일한 단층 NS 코팅 및 대면적 적용의 어려움이 향후 해결되어야 할 과제로 인식되고 있다.

후속연구

Martins는 이러한 준불규칙 구조로 설계된 나노구조체를 전자빔 리소그로피로 제작하여 Lambertian limit에 매우 근접한 광흡수 특성을 보고하였다(그림 3(b)).^[2] 이러한 준불규칙 구조를 전자 빔 리소그라피와 같은 고비용 공정이 아닌 저비용 공정을 이용하여 제조하는 기술을 개발하게 되면 큰 파급효과를 줄 수 있을 것으로 기대된다.
실리콘 나노구조 태양전지 기술의 고효율화를 위해서는 나노구조 도입으로 발생할 수 있는 전기적 손실을 최소화해야 하며 광학적으로 효율적인 나노구조 제조와 함께 우수한 패시베이션 기술이 확보되어 한다. 실리콘 나노구조 태양전지는 향후 박형 또는 초박형 웨이퍼 기반 태양전지 응용뿐 아니라, 기존 태양전지 효율 한계를 극복할 수 있는 유망한 기술로 각광받을 것으로 기대 된다.
이렇게 두께가 얇은 초박형 웨이퍼(< 50 um)는 경량화 및 기계적 유연성이 현재 상용화된 태양전지에 비해 우수하여, 곡면의 구조물에도 응용이 가능하여 건물외벽, 전기 자동차, 무인 비행기와 같은 새로운 분야에도 적용이 가능할 것으로 기대가 된다(그림 1).
점변 인덱스 효과가 뛰어난 나노구조체의 주기적 또는 준주기적 배치를 응용하여 광포집 효과가 Lambertian limit에 근접 또는 상회하는 태양전지를 제작할 수 있을 것으로 기대된다. 다음은 이러한 나노구조체를 저비용, 대면적으로 제조할 수 있는 나노리소그라피 공정의 기술 동향에 대해서 논의해 본다.
지금까지 살펴본 바와 같이 나노구조 실리콘 태양전지는 우수한 광학적 성능을 보이는 나노구조를 활용하면서도 고효율 구현에 어려움이 있었으나, 최근 전기적 손실 기구에 대한 이해를 바탕으로 고효율화 연구에 대한 큰 진전이 있음을 알 수 있다. 향후, 태양전지 웨이퍼의 박형화 연구 추세에 따라 실리콘 나노구조 태양전지는 더욱 각광을 받을 것으로 예상하며, 또한 동시에 효율적인 광학 설계 및 전기적 손실 저감 셀 기술 개발로 태양전지의 원가 절감 및 고효율화에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실리콘 태양전지에서 웨이퍼의 두께가 얇아지게 될 경우 장점은 무엇인가?	현재 상용 태양전지의 두께는 160~200 µm이나, 웨이퍼링의 기술 발전을 통해 그 두께가 지속적으로 낮아질 것으로 전망된다. 웨이퍼의 두께가 얇아지게 될 경우, 실리콘 재료 사용량 저감으로 인한 원가 절감 효과 이외에 광여기 된 전하가 전극까지 이동해야 하는 경로가 짧아지게 되어 재결합 손실이 줄어들게 되며, 이에 따라 광전압이 향상될 수 있는 장점이 생긴다. 이렇게 두께가 얇은 초박형 웨이퍼(< 50 um)는 경량화 및 기계적 유연성이 현재 상용화된 태양전지에 비해 우수하여, 곡면의 구조물에도 응용이 가능하여 건물외벽, 전기 자동차, 무인 비행기와 같은 새로운 분야에도 적용이 가능할 것으로 기대가 된다(그림 1).
	결정질 실리콘의 반사율을 낮추기 위해 무엇을 적용하는가?	5)은 공기에 비해 상대적으로 높아 가시광선 및 근적외선 대역에서 반사율이 30% 이상으로 매우 높다. 이를 낮추기 위해 보통 단일 박막 또는 다층박막을 이용하여 무반사 코팅을 적용한다. 실리콘 웨이퍼 후면에 이상적인 반사판(R=100%)을 배치하였다고 가정하자.
	현재 상용 태양전지의 두께는 몇 µm인가?	따라서 발전단가를 높이기 위해, 고효율화와 함께 실리콘의 재료 사용량을 낮추려는 노력이 함께 진행되고 있다. 현재 상용 태양전지의 두께는 160~200 µm이나, 웨이퍼링의 기술 발전을 통해 그 두께가 지속적으로 낮아질 것으로 전망된다. 웨이퍼의 두께가 얇아지게 될 경우, 실리콘 재료 사용량 저감으로 인한 원가 절감 효과 이외에 광여기 된 전하가 전극까지 이동해야 하는 경로가 짧아지게 되어 재결합 손실이 줄어들게 되며, 이에 따라 광전압이 향상될 수 있는 장점이 생긴다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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