초소수성 표면이 광전지의 효율을 올린다

초소수성 표면이 광전지의 효율을 올린다

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-26

조지아공대 (Georgia Institute of Technology) 연구팀이 두 가지 서로 다른 화학에칭법에 의해 마이크로미터와 나노미터 스케일의 형상을 만드는 표면처리 기법으로 실리콘 광전지 (photovoltaic cell)의 빛 흡수를 증가시키는 방법을 개발했다. 이 표면처리 기법은 빛을 3차원 구조물 내에 포획하여 (trapping) 광 흡수를 증가시키는 효과와 광전지의 표면을 오염시킨 먼지나 때가 비나 이슬에 의해 씻겨나가도록 하는 자정 (self-cleaning) 효과의 두 가지 방법으로 빛 흡수를 증가시킨다. 조지아공대 재료공학교수인 C.P. 웡 (C.P. Wong) 교수는 광전지로 더 많은 빛이 들어가고 더 적은 빛이 반사되어 나올수록 효율을 올릴 수 있다며 시뮬레이션에 의하면 이 방법으로 광전지의 최종 효율을 2%까지 증가시킬 수 있다고 밝혔다. 이 에칭 처리방법은 연꽃잎의 초소수성표면을 모방한 것이다. 연꽃잎은 서로 다른 두 가지 크기 의 표면 거칠기 (surface roughness)로 높은 접촉각을 형성함으로써 빗물이나 이슬이 방울을 만들어 굴러 떨어지게 만드는데, 먼지나 때도 이 독특한 표면 구조로 인해 잘 들러붙지 않고, 물이 굴러 떨어지면서 실려나가게 된다. 웡 교수는 실리콘 표면처리가 마이크로 와 나노 크기 구조의 이중 거칠기로 연꽃잎과 같은 원리로 작동하며, 물이나 먼지와 표면의 접촉을 최소한으로 한다고 밝혔다. 그는 물방울이 표면에 생기면 이 이중 거칠기 구조의 꼭대기에 올라앉게 되고 물방울의 3%만이 실리콘과 접촉하게 된다고 설명했다. 초소수성 표면의 제조는 수산화칼륨 (KOH)용액으로 실리콘 표면을 에칭 하는 것으로 시작한다. 에칭용액은 결정면을 따라 선택적으로 실리콘을 제거하여 표면에 마이크로미터 크기의 피라미드 형태 구조물을 만든다. 그 후 전자 빔으로 나노미터 크기의 금 입자를 피라미드 구조물에 입힌 다음에, 불산 (HF)과 과산화수소 (H2O2) 용액의 금 촉매 에칭 공정으로 나노미터 크기의 형상을 만든다. 형상의 크기는 금 나노입자의 크기와 실리콘이 에칭에 노출되는 시간에 의해 조절된다. 마지막으로 요오드화 칼륨 (KI) 용액으로 금을 제거하고 표면을 PFOS (perfluorooctyl trichlorosilane)로 코팅한다. 결과물로 생기는 직물구조 (textured) 표면에 의한 빛 흡수의 증가와 자정 작용의 조합이 실리콘 표면에 도달하는 태양광의 흡수를 상승시키게 된다. 조지아공대 화학생명공학과의 데니스 헤스 (Dennis Hess) 교수는 보통의 실리콘 표면은 들어오는 빛의 많은 부분을 반사하지만, 이 표면처리에 의해 반사가 5%이하로 줄어든다고 지적하고, 광전지에 도달하는 빛 중 많게는 10%까지 표면의 먼지와 때 에 의해 흩어지며, 원칙적으로 광전지를 깨끗하게 유지할 수만 있다면 효율 증가가 가능하고 단지 몇 퍼센트만 효율을 증가시키는 것도 큰 효과를 나타낼 수 있다고 밝혔다. 웡 교수는 사막과 같이 계속 햇빛이 쪼이는 곳에서도 밤에 생기는 이슬이 광전지 표면을 닦아주는데 필요한 습기를 충분히 제공할 수 있다고 한다. 연구팀은 실제 태양전지에서의 표면처리 효과를 검증하기 위해 연구를 진행하고 있다. 하지만, 초소수성표면의 사용여부는 궁극적으로 표면의 내구성과 제조비용에 달려 있을 것으로 보인다. 헤스 교수는 표면 구조가 너무 작기 때문에 쉽게 손상되며, 표면에 기계적 마모가 발생하면 초소수성을 파괴될 것이라고 하고 이를 해결하기 위해 조그만 손상이 발생해도 전체적으로는 영향을 받지 않도록 넓은 면적의 초소수성 표면을 만드는 것을 시도하고 있다고 밝혔다. 대규모 제조시의 비용은 아직 계산되지 않았지만, 실리콘 광전지 제조공정이 이미 충분히 복잡하기 때문에 에칭과 증착공정의 추가가 비용을 크게 증가시키지는 않을 것이라고 헤스 교수는 추정했다. 이 표면처리 방법은 광전지 이외에 의료기구에 항균 코팅을 만들거나, 서로 달라붙지 않는 미세전자기계 기구 (micro-electromechanical devices) 및 개선된 마이크로유체 (microfluidic) 기구의 제조에 사용될 수 있다. NSF (National Science Foundation) 와 조지아공대 NEETRAC (National Electric Energy Testing Research and Applications Center) 의 지원으로 수행된 이 연구결과는 3월24일 솔트레이크시에서 열리는 미국화학회 전국 모임에서 발표된다. [그림] 불산/과산화수소 수용액으로 1분간 에칭한 실리콘 피라미드 구조물의 이미지. 결과물은 마이크로 와 나노미터 스케일의 거칠기를 가지고 있다.