실리콘 나노선 이용 신개념 고효율 태양전지 개발

[산업일보]
실리콘 나노선을 이용해 태양광을 전기로 변환할 수 있는 고효율 태양전지가 국내 연구자의 주도로 개발돼 미래 대체 에너지원 확보에 새로운 가능성을 열었다.

고려대 박홍규 교수(37세, 교신저자), 김선경 박사(34세) 연구팀은 미국 하버드대 찰스 리버 교수 연구팀과 공동으로 단결정 실리콘 나노선 태양전지를 처음으로 개발했다.

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행됐고, 연구결과는 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국국립과학원회보(PNAS)'에 1월 19일자로 게재됐다.

박홍규 교수 연구팀은 단결정 실리콘으로 이루어진 나노선을 화학적 방법으로 대량 합성하는데 성공하고, 이 나노선으로 태양전지를 제작해 높은 효율(6% 이상, 이전 나노선 태양전지에 비해 2배 이상 증가)을 갖는 나노크기의 태양전지를 개발했다.

실리콘 태양전지는 차세대 에너지원으로 각광 받고 있다. 그 중 단결정 실리콘 태양전지는 결정성이 높아 물질 내 결함이 적어 비정질 실리콘 태양전지에 비해 전기적 특성이 우수한 장점이 있다. 그러나 단결정 실리콘은 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 모든 태양광을 흡수하기 위해서는 실리콘 밴드의 두께가 두꺼워야 하므로(수 백 마이크미터 이상의 두께) 비경제적이다.

나노선을 활용한 태양전지는 화학증기증착법(CVD)으로 나노선을 합성하므로 다양한 물질을 손쉽게 제조할 수 있는 장점이 있다. 그러나 결정성도 높고 매끄러운 단결정 실리콘 나노선 태양전지를 개발하는 것은 난제 중의 하나로 인식됐다.

박홍규 교수와 찰스 리버 교수 연구팀은 처음으로 단결정 실리콘 나노선을 이용해 두께가 300나노미터(기존보다 100배 이상 얇은)에 불과한 나노 태양전지 개발에 성공했다. 개발된 나노선 태양전지는 실리콘의 결정면을 따라 정육각형의 단면을 유지하고, 표면도 매끄럽다(거칠기 수 나노미터 이하).

연구팀이 합성한 단결정 실리콘 나노선은 현재까지 개발된 나노선 태양전지 중에서 가장 우수한 전기적 특성을 나타내, 산업체에서 개발하고 있는 박막형 태양전지와 견주어도 동등한 수준이다.

단결정 실리콘 나노선 태양전지는 나노선 고유의 특성(공명)을 이용해 태양광의 수집 효율을 2배 이상 끌어올렸다.

지금까지 단결정 실리콘의 낮은 흡수율은 효율 저하의 원인으로 지적돼왔다. 그러나 이번에 합성한 실리콘 나노선은 빛의 파장보다 작은 크기의 구조체로, 기존의 평면구조와는 다른 특성을 나타낸다.

실리콘 나노선의 경우 특정 파장에서 입사되는 빛이 표면에서 반사되지 않고 대부분 흡수된다. 이러한 공명현상으로 실리콘 나노선 태양전지는 같은 두께의 박막형 실리콘 태양전지에 비해 2배 이상 전류밀도가 높다.

연구팀은 또한 합성된 실리콘 나노선은 특정 파장에서 입사한 태양광이 반사 없이 나노선 내부로 모두 흡수된다는 사실을 실험과 계산으로 입증했다.

박홍규 교수는 “이번 하버드대 연구팀과의 공동연구를 통해 경제적이면서 효율도 높은 태양전지를 대량 생산할 수 있게 돼, 향후 태양전지 산업에 다각적으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.