Power, Energy

나노결정 태양전지의 이해

장종엽엔에스 2015. 2. 2. 08:42

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2015-02-02
ETH 연구원들은 작은 결정들로 만들어진 새로운 종류의 태양전지 내부에서 전자들이 어떻게 흐르는지 설명하기 위한 종합적인 모델을 개발했다. 이 모델은 태양전지의 더 깊은 이해와 효율 증가에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

과학자들은 차세대 태양전지들을 위한 나노크기 결정들에 집중하고 있다. 이 나노결정들은 우수한 광학 특성을 가지고 있다. 현재의 태양전지 내 실리콘과 비교하여 나노결정들은 태양광 스펙트럼의 더 많은 부분을 흡수하도록 디자인될 수 있다. 그러나, 나노결정 기반 태양전지의 개발은 커다란 문제에 봉착해 있다. ETH 취리히 재료와 소자 공학과 교수인 바네사 우드 박사는 이런 태양전지들은 분자적인 접착제에 의해 함께 결합된 수많은 개별 나노크기 결정들의 층들을 포함하고 있으며, 이 나노결정 합성물질 내에서 전자들은 상용 응용들을 위해 요구되는 것만큼 충분히 잘 흐르지 못한다고 설명했다. 지금까지, 이런 복잡한 물질 시스템 내 전자 이동 물리학은 충분히 이해할 수 없어서 더 좋은 나노결정 합성물질들로 시스템적으로 조작되기 불가능했다.

우드 박사와 그녀의 동료들은 ETH 취리히 연구실 내에서 제작하고 특성을 평가한 나노결정 태양전지의 광범위한 연구를 수행했다. 그들은 최초로 일반적으로 응용될 수 있는 물리적인 모델을 통해 이런 형태의 전지들 내에서 전자 이동을 설명할 수 있었다. 우드 박사는 자신들의 모델이 전자 이동에 대한 나노결정 크기, 나노결정 물질, 접착 분자들의 변화에 대한 영향을 설명할 수 있다고 주장했다. 이 모델은 나노결정 태양전지 내부의 물리적인 과정들의 더 나은 이해를 이 연구 분야 내 과학자들에게 전달하며 그들이 태양전지 효율을 향상시킬 수 있게 할 것이다.

작은 결정에 대한 태양전지 연구원들의 열정은 벌크 반도체들에서 관찰되지 않는 작은 크기에서 양자 물리학의 효과들이 지배한다는 것에 기초하고 있다. 하나의 예로, 나노결정들의 물리 특성은 그들의 크기에 의존하고 있다. 과학자들이 제조 공정 내에서 나노결정 크기를 쉽게 조절할 수 있기 때문에, 그들은 나노결정 반도체들의 특성에 영향을 줄 수 있고 태양전지를 위해 이 결정들을 최적화할 수 있다.

나노결정 크기 변화에 의해 영향을 받을 수 있는 특성은 나노결정들에 의해 흡수될 수 있고 태양전지에 의해 전기로 전환될 수 있는 태양 스펙트럼의 양이다. 반도체들은 전체 태양광 스펙트럼을 흡수하지 않지만 소위 반도체의 밴드갭 에너지로 불리는 것보다 큰 에너지, 특정 파장이하의 방사만을 흡수한다. 대부분의 반도체들에서, 이는 물질을 바꿈으로써만 변화시킬 수 있다. 하지만 나노결정 합성물질들의 경우, 이 한계점은 개별 결정들의 크기를 변화시킴으로써 단순하게 바꿀 수 있다. 그러므로, 과학자들은 태양광 스펙트럼의 폭넓은 영역에서 광량을 최대로 흡수하는 방법으로 나노결정들의 크기를 선택할 수 있다.

나노결정 반도체들의 부가적인 장점은 일반적인 반도체들보다 훨씬 더 많은 태양광을 흡수한다는 것이다. 예를 들어, ETH 연구원들의 실험적인 연구에 이용되는 황화 납 나노결정들의 흡수 계수는 태양전지로 일반적으로 이용되는 실리콘 반도체에 비해 수 백 배 이상 더 크다. 그러므로, 상대적으로 적은 양의 물질이 나노결정 태양전지의 생산이 요구된다. 이는 매우 얇고 플렉서블한 태양전지를 만들 수 있게 하는 원동력이 된다.

새로운 모델은 나노결정 성분들 내에서 전자 이동에 대한 이전의 불분명한 질문들에 해답을 제시하고 있다. 예를 들어, 지금까지 어떠한 실험적인 증거도 나노결정 합성물질들의 밴드갭 에너지가 개별 나노결정들의 밴드갭 에너지에 의존한다는 것은 증명하지 못했다. 연구원들은 이 연구를 통해 세계최초로 이 의문을 실험적으로 증명했다.

지난 5년 동안, 과학자들은 나노결정 태양전지의 효율을 매우 증가시키는데 성공했지만 이런 태양전지 상의 입사 태양광을 전기 에너지를 전환하는 최고 효율은 약 9 퍼센트에 불과했다. 상업적인 응용들로 고려되려면 적어도 15퍼센트의 효율을 얻어야 한다. 우드 박사의 연구그룹 연구는 전자 이동과 태양전지 효율을 증가시키는데 한 단계 더 가깝게 접근했다.

그림 설명: ETH 연구원들에 의해 제작된 나노결정들을 기반으로 하는 태양전지 칩

참고 자료: Bozyigit D, Lin WMM, Yazdani N, Yarema O, Wood V: A quantitative model for charge carrier transport, trapping and recombination in nanocrystal-based solar cells.Nature Communications, 2015, DOI: 10.1038/ncomms7180