태양전지의 효율을 매우 향상시키는 금속 나노입자

미국 캘리포니아 대학(University of California at San Diego) 연구진은 태양전지의 성능을 매우 향상시키는데 금속 나노입자(metal nanoparticle)를 사용하였다. 금 나노입자를 InP/GaAsP 양자-우물 태양전지(quantum-well solar cell)에 증착시켰을 때 전원 변환 효율(power conversion efficiency)이 17% 까지 증가했다. 이런 방법은 태양전지에서 높은 광자 흡수와 광유도 전하 캐리어(photogenerated charge carrier)의 효율적인 수집과 관련된 문제를 극복한다.

고효율 광기전성 장치를 만드는데 주된 장애물 중 하나는 물질 자체의 고유의 손실에서 오는 태양 전원 변환 효율의 감소이다. 태양 전지의 전원 생산은 시간당 얼마나 많은 전류와 전압을 옮길 수 있는지에 달려 있기 때문에 적당한 물질을 고르는 것이 더 높은 효율을 발생시키는데 매우 중요하다.

이것을 하기 위해서는 태양광으로부터 광자가 흡수될 때 광자를 매우 잘 흡수하거나 생산된 전하 캐리어(전자나 홀)를 효율적으로 수집할 수 있는 물질이 필요했다. 그러나 광자를 잘 흡수하기 위해서는 양자 우물 구조를 가진 전형적인 후막(1 μm 이상)이 필요하지만 전하 캐리어를 효율적으로 수집하기 위해서는 훨씬 더 얇은 박막(0.2?0.3?μm)이 필요했다. 이 새로운 연구에서는 이런 두께 차이로 발생하는 충돌을 조화시켰다.

InP 기질 위에 위치한 양자 우물 영역은 위와 아래의 경계 영역에 있고 더 낮은 굴절률을 가지는 물질이기 때문에 소위 슬랩 도파관(slab waveguide)을 만든다고 연구진은 알게 되었다. 광자는 슬랩 도파관 구조를 가진 태양전지 표면을 평행한 방향으로 이동될 것이고 이 길을 따라서 이동되는 광자는 양자 우물 영역 속의 긴 광학적 통로 때문에 흡수되어질 확률이 높아진다.

이런 방법은 심지어 박막 다중 양자 우물 층에도 적용할 수 있다고 연구진은 말했다. 이것은 광유도된 캐리어를 효율적으로 추출할 수 있기 때문에 가능하다. 그 다음에 이 방법은 도파관에서 직각 방향으로 투과하는 광자의 길을 인도할 것이다. 이것은 태양 전지 표면 위에 증착된 금속이나 유전체 나노입자에 의해서 분산될 것이다.

그래서 태양 전지는 점점 더 광을 수집할 수 있고 태양 전지가 더 높은 효율과 전류를 이동할 수 있도록 한다. 나노입자들은 더 많은 빛이 수집되도록 돕기 때문에 더 높은 전류 밀도와 전력 변환을 이끈다.

연구진에 따르면 장치 내부의 도파관 모드 속으로 분산된 광은 태양전지에 증착된 기존의 반사방지 층에서는 허락되어지지 않는 박막 광기전성과 이러한 장치에 응용될 수 있을 것이다.

고효율 양자 우물 태양전지는 고효율, 소형, 그리고 저중량이 필요한 우주나 지구 집신 장치에 이상적일 것이다. 이미 정립된 다중 접합 직렬 전지(multi-junction tandem cell)와 비교할 때 양자 우물 태양 전지는 단일 접합 구조로 되어 있고 다중 접합 전지를 성가시게 하는 전류-매칭(current-matching) 조건이 필요하지 않는다. 이것은 장치에 비추어지는 태양 방사선 양이 위치, 시간 그리고 대기 환경에 따라서 달라지는 곳에 적용할 수 있는 장점이 있다.

연구진은 현재 광 포집 효율을 더 향상시키기 위해서 더 낮은 굴절률 기판을 사용하는 연구를 진행하고 있다.


이 연구결과는 Applied Physics Letters에 게재되었다.