실리콘 태양전지 상 무반사 표면을 만드는 자기조립 나노거칠기

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-26

태양 전지 표면에서 반사되는 태양광의 양을 줄이는 것은 태양광선을 전기로 최대한 전환하는데 도움을 주기 때문에 제조자들은 반사를 줄이는 코팅들을 이용한다. 미국 에너지부 브룩 하벤 국립연구소 과학자들은 실리콘 물질 상으로 나노 크기 거칠기로 식각하는 것이 작동하는 무반사 표면과 최신 박막 다층 코팅들을 만든다는 것을 보였다. 특허 출원되고 네이처 커뮤니케이션 지에 실린 연구팀의 방법은 제조 비용을 줄이면서 실리콘 태양 전지 생산을 간소화하는 잠재력을 가진다. 이러한 접근은 발광 다이오드(LED)의 밝기를 증가시키고, 군사 장비를 위한 레이더 위장 용품을 제공하며, 창문으로부터 눈부신 빛을 감소시키는 부가적인 응용들을 발견할 수도 있을 것이다. 반사 방지 응용들을 위하여 아이디어는 재료들 사이의 계면들에서 반사되는 무선 전파들 혹은 빛을 방지하는 것이다. 반사들을 방지하는 것은 어떻게 빛과 같은 파장들이 재료를 통해 전파하는지 영향을 주는 “굴절률”에서 갑작스런 변화를 조절하는 것이 필요하다. 이는 서로 다른 굴절률들을 가지는 두 개의 재료들이 만나는 계면에서 발생한다. 예를 들어, 공기와 실리콘 사이에서 발생한다. 계면에서 중간 굴절률을 가지는 코팅의 부가는 재료들 사이의 전이를 쉽게 하고, 반사를 감소시킨다. 태양 전지들을 위한 이러한 코팅을 사용하는 문제는 소자 내에 광 스펙트럼의 모든 색깔을 모두 잡기를 선호하며, 광이 오는 방향을 무시하고 광을 잡고 싶기 때문이다. 그러나, 서로 다른 반사 방지 코팅을 가지는 가장 좋은 광 결합들의 각각의 색깔과 각각의 코팅은 특정 방향으로부터 오는 광을 위해 최적화된다. 그래서, 이러한 이슈들은 다중 반사 방지층들을 이용하여 다루어야 한다. 연구팀은 더 좋은 방법을 찾기 위해 고군분투 중이다. 과학자들은 나방들의 눈들과 같은 자연에서 반사 방지 표면들의 잘 알려진 샘플에 의지해 왔다. 나방의 복합체 눈들의 표면들은 빛의 파장길이들보다 더 작은 많은 작은 “기둥들”로 만들어진 패턴들로 거칠기된다. 이러한 거친 표면은 나방의 밤 시야를 더 좋게 만들고, 포식자들이 나방을 감지하게 하는 빛을 반사하는 헤드라이트 내 사슴과 같은 현상을 방지한다. 연구팀은 나노 기술의 방법들을 이용하여 훨씬 더 작은 크기들에서 실리콘에서 나방의 눈 패턴들을 재창조하는 연구에 착수하였다. 연구팀은 “블록 코폴리머”라 불리는 폴리머 물질로 실리콘 태양 전지의 맨 위 표면을 코팅함으로써 시작하였다. 여기서, 블럭 코폴리머는 오직 수십 나노 미터들을 측정하는 차원들로 순서된 표면 패턴에 대해 자기 구성으로 만들어질 수 있다. 자기 조립된 패턴은 반응성 기체들의 플라즈마를 이용하여 나방 눈에서와 같은 태양 전지에서 기둥들을 형성하기 위하여 템플릿으로서 제공되었다. 이 기술은 흔히 반도체 전기 회로 제조에 사용된다. 표면 나노 거칠기의 결과는 태양 전지에 영향을 주는 광의 방향과 상관없이 동시에 광의 많은 파장들의 반사를 크게 줄이는 굴절률을 점진적으로 변화시키도록 한다. 이러한 나노 거칠기의 부가는 보통 반짝이는 실리콘 표면을 완전히 블랙으로 변화시킨다. 이러한 방법으로 거칠기된 태양 전지들은 약 20%까지 단일 반사 방지 필름으로 코팅된 것보다 더 나은 결과를 나타냈고, 광을 산업에서 사용되는 가장 좋은 다중층 코팅들과 소자로 이동시켰다. 연구팀은 산업에서 사용되는 프로세스들과 비교하여 이러한 방법을 사용하는 실리콘 태양 전지들을 조립하는 것이 경제적으로 이점들을 가지는지를 알기 위하여 연구 중이다. 연구의 한 가지 아주 흥미로운 부분은 과학자들이 효과를 설명하는 수학적 모형에 의해 예견된 요구되는 높이만큼 큰 절반의 나노 기둥들을 형성함으로써 반사 방지 성능을 달성했다는 것이다. 그래서, 과학자들은 미스터리를 풀기 위하여 CFN 전문가와 다른 브룩하벤 과학자들을 불렀다. 컴퓨터 모델링의 조합을 이용하여 전자 현미경, 표면 과학, 연구팀은 실리콘이 노출될 때 전형적으로 형성되는 것과 비슷하게 산화 실리콘의 아주 얇은 층이 큰 효과를 가지는 것처럼 보였다고 추론하였다. 평평한 표면에서 이러한 층은 너무 얇아서 효과가 아주 적다. 그러나 나노 거칠기의 모든 면들로 둘러싸인 얇은 산화층을 가지는 나노 패턴된 표면에서 산화물은 나노 거칠기된 재료의 중요한 비율을 만들기 때문에 더 큰 효과를 가질 수 있다. 이것이 숨겨진 층은 성능을 더 좋게 하는 핵심이었다. 연구팀은 현재 태양 패널을 위한 코팅, 눈부심 방지 창문을 위한 유리 혹을 플라스틱을 포함하여 다른 재료들을 위한 나노 거칠기 패턴의 방법에 기반한 자기 조립을 개발하는데 관심을 가지고 있다. 그림 1: 근접 촬영은 어떻게 실리콘의 나노 거칠기된 정사각형이 주변 실리콘 웨이퍼와 비교하여 완전하게 반사를 막는지를 보여준다. 그림 2: 기능성 나노 재료를 위한 센터에서 주사 전자 현미경을 통해 드러난 나노 거칠기된 반사 방지 표면의 상세한 사진. 각각 빛의 파장보다 더 아주 작은 기둥들은 자연에서 찾은 반사 방지 표면의 샘플인 나방의 눈과 같은 구조를 연상시킨다. id38779.jpg id38779_1.jpg http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38779.php