전방향 광대역 Si 기반 태양전지

널리 상용화된 Si 태양전지는 태양광의 높은 입사각에서 소자 표면 반사에 의해 태양광의 적은 부분을 이용 한다. 입사각이 높을 때는 구름 낀 날인데 대부분의 태양광은 대기를 통과할 때 분산되거나 산란된다.  

매끈한 Si 표면의 경우 태양광(400~1100 nm)의 모든 입사각에 대한 반사를 평균했을 때 거의 40%의 광이 반사된다고 알려져 있다. 

직사광 비율을 증가시키기 위해 태양 추적 시스템이 태양전지 모듈에 결합되었다. 하지만 비용 효용성을 떨어뜨린다. 

마이크로구조와 나노구조를 모두 포함하고 있는 계층 구조(hierarchical structures)는 전기광학적 특성 모두를 향상시킴으로써 태양전지 성능을 높일 수 있는 비용 효율이 높은 방법이다.  

광수확 특성은 더욱 더 중요해지고 있으며 광대역과 전방향 특성이 필요하다. 또한 실질적인 접합 면적은 커져야 한다. 

어떤 계층 구조는 초소수성(super-hydrophobicity)을 띄는데 이를 태양전지 소자에 이용하면 소자 표면에 자기 세척(self-cleaning) 기능을 주어 환경적 내구성을 좋게하고 입사각에 의한 민감도를 줄여 태양 추적 시스템이 없이도 광수확을 최대할 수 있다. 

연구자들은 계층 구조를 갖는 Si 이종접합(SHJ) 태양전지에서  PEDOT:PSS와 a-Si을 사용했을 각각 효율 11.48%와 15.14%을 얻었다. 

(그림 1. (a) 마이크로 피라미드 표면 구조를 갖는 Si 기판의 SEM 이미지, (b)~(d)는 각각 185, 234, 그리고 357 nm 나노와이어를 갖고 있는 계층 구조 Si 기판의 SEM이미지)

(그림 2. (a) 하루 종일 태양광의 입사각. (b) 계층 구조 Si 이종접합(SHJ) 셀과 평면 셀 간의 최대 전력 밀도 비교. (c) PEDOT:PSS로 제도된 SHJ의 일일 출력 추정값.

그들은 무전극(electrodeless) 화학 에칭 공정을 통해 Si 기판 위에 피라미드 어레이를 만들었다. metal-assisted 에칭 공정으로 피라미드 표면에 나노와이어를 형성했다. 나노와이어의 길이는 에칭 시간으로 제어될 수 있다. 

나노와이어의 길이가 길어지면 일반적으로 결함 또는 트랩핑 중심(trapping centers)를 야기시키는데 심각한 재결합 손실을 낳아 캐리어의 수명을 단축시킨다. 광 포획, 접합 면적, 그리고 캐리어 수명 사이의 trade-off는 나노와이어의 최적 길이가 있다는 것을 뜻한다. 

계층 구조에서 가장 인상 깊은 특성 중 하나는 모든 방향에서 태양광을 수집할 수 있다는 것이다. SHJ에서 계층 구조셀은 평면 소자에 비해 높은 광입사각(75°)에서 출력 밀도가 높은데 PEDOT:PSS가 적용된 셀은 253.8%가 높고 a-Si이 적용될 셀에서는 83.5%가 높다.  이를 일일 출력 평균을 고려하면 계층 구조 셀은 평면 셀에 비해 PEDOT:PSS와 a-Si에 대해 각각 72.2%와 44.2%가 더 높다. 

참고: http://spie.org/x103950.xml?highlight=x2400&ArticleID=x103950