[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

태양전지는 빛을 흡수해서 전기를 생산하는 장치다. 그러므로, 전기를 생산하면서도 투명도를 얻기 위해서는 필연적인 절충점이 있어야 한다. 가장 일반적인 방법은 광흡수 물질의 밴드갭 엔지니어링1)으로, 물질의 밴드 갭을 조절해 가시광선의 파장 (400㎚~800㎚)의 일부만 투과하고 나머지를 흡수해서 전기를 생산하도록 설계하는 것이다. 이 경우, 흡수된 빛을 제외한 나머지가 투과돼 투명태양전지 자체가 착색되어 보이는 단점이 있다. 또한, 대부분의 투명 태양전지들은 딱딱한 유리기판 혹은 실리콘 기판을 기반으로 제작되기 때문에 활용도가 제한적이다.

본 연구에서는 실리콘 마이크로와이어의 광흡수 메커니즘을 분석해, 형상이 제어된 실리콘 마이크로와이어 복합체를 제작하고 이를 이용해서 유연하면서도 착색되지 않은 중성색 투명 태양전지를 고안했다.

2. 연구내용  

본 연구팀이 제안한 실리콘 마이크로와이어 복합체 개발기술은 투명 태양전지를 제작하기 위한 중요한 요소기술이다. 실리콘 웨이퍼 위에 노광공정2)을 통해 금속패턴을 형성했고, 이를 에칭 마스크3)로 이용해 건식식각4)을 진행했다. 그 결과, 정렬된 실리콘 마이크로 와이어가 제작됐고, 이를 투명한 유기체 매트릭스(기판)에 내장시킨 후 모(母) 기판으로부터 분리해 실리콘 마이크로 와이어 복합체를 얻었다.

마이크로 와이어 사이의 간격이 빛을 투과하는 역할을 하면서 중성색 투명은 얻을 수 있었지만, 근본적으로 투명태양전지에서 투과도와 에너지 변환 효율5)은 트레이드 오프(모순) 관계를 가지기 때문에, 높은 투과도에서 고성능을 얻는 데 어려움이 있었다.

본 연구팀은 유한차분시간영역법6)을 이용해, 실리콘 마이크로 와이어의 광흡수 메커니즘을 규명했으며 빛-물질 상호작용을 최대화할 수 있는 구조인 뾰족한 형태의 실리콘 마이크로 와이어를 설계하고 도입했다. 그에 따라, 상부에서 반사된 빛이 바로 옆의 막대에서 재흡수 되는 것을 관찰했다.

위의 이론적인 결과를 적용해 제작한 형상이 제어된 실리콘 마이크로와이어 복합체는 투과도가 유지되면서 광흡수가 향상되는 결과를 보였으며, 이를 이용해 제작한 투명 태양전지는 비슷한 투명도 기준으로 다른 소재 기반의 중성색 투명태양전지보다 뛰어난 성능(광전환율 8%)을 보이는 것을 확인했다.

본 연구진이 개발한 투명 태양전지는 간격이 제어된 마이크로와이어가 투명하고 견고한 유기체에 내장된 구조로, 아주 얇은 두께 (30㎛)의 마이크로와이어 복합체에 상부에 p형 폴리머, 하부 투명전극으로 이뤄져 있다. 이러한 얇고 자가독립적인 형태는 구부러짐 상태에서 가해지는 굴곡 변형을 최소화할 수 있어, 유연 태양전지로 이용될 수 있다.

제작된 투명 태양전지를 굽힘반경 6㎜로 구부린 상태에서 성능을 측정해도, 굴곡변형이 가해지지 않은 상태의 초기 효율에 비교해 95% 이상 유지됐으며, 수십 번의 굽힘 시험 이후에도 초기 효율이 유지됐다.

3. 기대효과  

잠재적으로 건물, 차량 또는 휴대용 전자장치에 다양하게 활용될 수 있는 장점 등으로 주목받는 투명 태양전지는 기존에 보고된 투명 태양전지들의 단점(착색 투명 및 소자의 비유연성 등)으로 인해 실제적으로는 매우 제한적으로 응용되고 있었다. 실리콘 마이크로 와이어 복합체 기반 투명 태양전지는 기존의 착색 투명 및 비유연성 등 단점을 개선해 중성색 투명하고 유연한 특성을 보여줌으로써 투명 태양전지의 실질적 활용 가능성을 새롭게 제시했다.

본 연구에서 개발한 실리콘 마이크로와이어 복합체는 투명 태양전지뿐만 아니라 신축성 있는(스트레처블) 태양전지로도 확장 가능해 기존 태양전지의 한계점을 넘어설 새로운 플랫폼 기술이다. 또한, 이번 연구에서 규명된 실리콘 마이크로와이어의 광흡수 메커니즘은 고성능의 투명태양전지 및 실리콘 기반의 광소자 개발에 시금석으로 이용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 밴드갭 엔지니어링(band gap engineering)

원자 내 전자가 가질 수 있는 에너지 레벨이 모여서 띠처럼 영역을 형성하는데 이를 에너지 밴드라 한다. 이때 전자가 존재할 수 없는 에너지 간격이 존재하며, 이를 밴드갭이라고 한다. 밴드갭의 간격에 따라 흡수할 수 있는 파장이 다른데, 광흡수체의 성분을 바꾸거나 도핑 방법 등으로 밴드갭을 조절하는 공정을 밴드갭 엔지니어링이라고 한다.

2. 노광공정(photolithography)

빛을 이용해 감광액이 코팅된 실리콘 웨이퍼에 일정한 패턴을 만드는 기술이다.

3. 에칭 마스크(etching mask)

식각을 막는 용도로 만들어진 금속 박막이며, 이 부분을 제외하고 식각이 이루어지므로 실리콘 등의 형상을 제어할 수 있게 한다.

4. 건식 식각(dry etching)

가스나 플라즈마를 이용해 실리콘을 깎아 내는 공정

5. 에너지 변환 효율(photo conversion efficiency)

태양전지 분야에서 쓰이는 성능 정도 값, 태양전지가 생산하는 에너지에서 1 sun (100㎽/㎠)를 나눈 값 

6. 유한차분시간영역법

수치전자계 해석 방법 중 하나로, 맥스웰(Maxwell)의 기본 전자방정식에 나타나는 공간 및 시간에 관한 미분항을 차분항으로 바꿔서 계산하는 방식으로 다양한 물리적 현상에 대한 예측 및 원리를 계산하는 데 사용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 실리콘 마이크로와이어 복합체의 주사전자현미경 이미지: a. 실리콘 마이크로와이어가 유연한 고분자기판에 내장 되어 있음 (scale bar: 50 μm), b. 실리콘 마이크로와이어 복합체의 신축성, 50 % 이상으로 복합체를 인장해도 구조적 변화가 없음 (scale bar: 1 cm).

그림2. 실리콘 마이크로와이어 복합체의 투명도: a. 투명도가 제어된 실리콘 마이크로와이어 복합체: Ⅰ=투명도 ~50%, Ⅱ= ~40%, Ⅲ= ~25% and Ⅳ= ~10%. b. 여러 투명 태양전지에서 투과된 빛의 색 좌표. 이번 연구에서 제안된 투명 태양전지의 경우 투과된 빛이 정 중앙에 위치해 중성색 투명함을 알 수 있음.

그림3. 유한차분시간영역법을 통한 실리콘 마이크로와이어 형상 설계: a. 일반적인 건식 식각으로 제작된 실리콘 마이크로와이어 내부의 전자기파 분포 b. 형상이 제어된(뾰족하게 제작된) 실리콘 마이크로 와이어의 내부의 전자기파 분포 (빛 흡수 이후 추가적으로 생성된 전자기파가 붉은색으로 표현됨) c. 시간에 따라 흡수된 전자기에너지의 정도. 형상이 뾰족하게 제어된 실리콘 마이크로와이어의 경우 반사된 빛(약 11 fs)이 재흡수 되는 것(약 22 fs)을 확인할 수 있음.