태양전지의 성능을 향상시키는 아연 산화물 나노와이어의 형상

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-09

미국 연구진은 아연 산화물 나노와이어의 형태를 변화시킴으로써 태양전지의 성능을 향상시키는데 성공했다. 형상은 나노구조로 된 헤테로접합 태양전지 속의 장치 효율을 향상시키는데 중요한 요인이다. 최적화된 전력 전환 효율을 달성하기 위해서, 각 구성요소는 높은 수준의 제어를 가진 장치 구조 속에 위치되어야 한다. 더 잘 제어되고 무작위로 조직된 나노구조 전극들은 큰 관심을 끌고 있다. 특히, 양자점이 결합되고 염료가 흡착되는 태양전지에 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 ZnO 나노와이어/양자점 태양전지의 효율 및 전하 전달을 향상시키기 위해서 열수적으로 성장된 아연 산화물 나노와이어의 위치 제어를 이용했다. 이번 연구진은 전자빔 리소그래피(하향식 접근법)가 ZnO 나노와이어의 성장을 조절할 수 있는 적절한 방법이라는 것을 발견했다. 이것은 나노와이어 어레이 형상의 이해 및 제어를 할 수 있게 한다. 고결정성 나노와이어가 수열 합성(hydrothermal synthesis)으로 성장될 수 있기 때문에 ZnO 재료 시스템이 선택되었다. 수열 합성은 저온에서 수행되고, 대면적 재현성을 가지며, 기판과 독립적인 특성을 가지고 있다. 나노와이어 분지(branching) 및 정렬은 템플릿 홀(hole) 크기, 기판, 시드 층(seed layer) 어닐링, 증착 방법과 같은 프로세스 변수를 토대로 측정된다. 이것은 스퍼터링된 시드 층들이 우수한 나노와이어 정렬 및 최소한의 분지를 생성하게 하고, 단지 한 개의 나노와이어를 생성하는 각각의 템플릿 홀을 가지고 있다. 이것은 태양전지에 적합한 형상으로 ZnO 나노와이어의 고품질 어레이를 제조할 수 있게 한다. 이번 연구진은 템플릿의 홀 크기의 감소가 분지 발생과 정렬을 감소시킨다는 것을 발견했다. 시드 층의 어닐링은 정렬을 향상시키고, 스퍼터링된 시드 층은 스핀 코팅된 시드 층보다 우수한 나노와이어 어레이를 생성한다. 이번 연구진은 시드 층 속의 ZnO 입자 크기와 비교했을 때 이런 효과가 템플릿 홀의 크기 변화로 인해 발생한다는 것을 증명했다. 나노와이어 어레이의 분지 및 정렬의 정량적인 제어는 나노구조로 된 태양전지 속의 광전류를 증가시키기 위해서 더 효율적인 전극을 가공할 수 있는 새로운 길을 열어 줄 것이다. 이런 제어는 나노기계적 발전기(nanomechanical generator), 나노와이어 트랜지스터, 표면 에너지 공학 등의 무기 나노와이어 성장에 적용될 수 있을 것이다. 태양전지와 기타 장치를 위해서 새롭게 제조되고 잘 제어된 나노와이어 어레이를 적용하는 것은 중요한 차후 단계이다. 이 연구에서 달성된 어레이 형상에 대한 제어는 나노와이어/양자점 태양전지의 효율을 극대화하는데 사용될 수 있다. 이 연구는 이상적인 나노와이어 피치(pitch) 및 나노와이어 분지 및 정렬의 영향을 조사하는데 매우 유용할 것이다. 더 나아가, 이 연구에서 제안된 형상 제어 및 분석은 많은 나노기술 분야에 사용될 수 있다. 예를 들어, 기계적 에너지 회수장치, 광 수집 또는 발광 장치, 트랜지스터, 기타 결정성 나노와이어 성장 등을 들 수 있다. 이번 연구진은 템플릿된 자기 조립에 고해상도 리소그래피를 적용하는 연구를 수행하고 있다. 또한 광전자장치에 적용하기 위해서 나노와이어의 용액 기반의 성장에 관심을 가지고 있다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Control of zinc oxide nanowire array properties with electron-beam lithography templating for photovoltaic applications”라는 제목으로 게재되었다(doi:10.1088/0957-4484/26/7/075303). 그림. 장치 단면도(왼쪽)와 ZnO 나노와이어 어레이(오른쪽). figure1.jpg http://nanotechweb.org/cws/article/lab/60088