와이드 밴드갭 표면 재결합 배리어를 채용한 고효율 나노기둥 태양전지

반도체 나노기둥은 평면 이키텍처에 대한 광 흡수를 최대로 하면서 활성 물질의 양을 줄일 수 있는 실행 가능한 해결책이다. 

주기적이고 수직으로 나란한 나노기둥 어레이에서, 입사광은 파장 보다 작은 구조와 상호작용하여 공진 트래핑(resonant trapping)이 일어나는데 이 현상은 광 흡수를 증가 시킨다. 

나노기둥은 어레이 내에서 광을 안내하고 또한 광이 바깥으로 반사되어 나가기 전에 어레이 내에서 몇번 되튀김으로써 광을 재활용하여 광 흡수의 기회를 더 준다. 

이 효과는 나노기둥이 전체 셀 표면적의 단지 5~15%의 상당히 낮은 밀도에서도 얻을 수 있다. 

(그림 1. 나노기둥 기반 차세대 태양전지. (a) 정방형 격자의 반복으로 배열되어 있는 나노기둥의 일반적인 주기적 어레이. 각 나노기둥은 1.5 um 높이와 200 nm 지름을 갖는다. 이 어레이는 비싸지 않은 리소그래피 기술로 4인치 웨이퍼 크기로 확대 될 수 있다. (b) finite-different time-domain 시뮬레이션을 이용해서 계산된 파장에 따른 광흡수. 광흡수는 인접한 나노기둥 사이의 거리를 변화시킴으로써 극대화될 수 있다. (c) 주기적 구조 내에 있는 적산 태양광 스펙트럼의 optical power flux. 나노기둥 영역에서 optical power는 최대가 되고 태양전지의 광전류 출력을 증가시킨다. (d) 외이드 밴드갭 in situ 패시베이션이 있고 없고에 의한 나노기둥 태양전지 소자의 외부양자효율.)

그림 1(a)는 금속-유기 화학 증착으로 자란 일반적인 나노기둥 어레이를 보여준다. 이 방법은 공기와 태양전지 셀 사이에 점진적인 굴절율(graded effective refractive index)을 만드는데 결과적으로 광흡수를 향상시킨다. 

광흡수 특성에 대한 어레이 피치 튜닝 효과는 그림 1(b)와 (c)에 묘사되어 있다. 

나노기둥 기반 태양전지를 이용하는데 있어서 장점은 기하학 구조를 바꿈으로써 접합이 엔지니어링될 수 있다는 것이다. 

통상의 태양전지에 사용되는 평면 접합은 두께, 농도, 그리고 도핑된 층의 물질과 관련된 특성을 갖는다. 

연구자들은 접합 기하학 구조를 지름 또는 축 방향으로 튜닝했다. 접합 구조가 지름 방향일 경우, 입사광(수직 방향)을 캐리어 추출(지름 방향)과 분리할 수 있는 장점이 있다.   

접합 구조가 축방향일 때는 접합 면적이 나노기둥의 단면으로 제한 되기 때문에 특히 암전류 밀도를 줄일 수 있어 Voc가 커진다. 

연구자들은 표면 준위(surface state)에 의해 발생하는 재결합 과정을 자세히 들여다 보고 있는데 P(phosphorous) 기반 와이드 밴드갭 반도체 나노기둥 어레이를 태양전지 셀과 결합해서 암전류를 pA 아래로 상당히 줄였다. 결과적으로 Voc는 0.92 V이상으로 증가했다. 

이 셀 디자인에서 소수 캐리어의 수명은 나노기둥 측면을 쒸우는(capping) 와이드 밴드갭 표면 배리어에 의존한다. 나노기둥 표면을 와이드 밴드갭 반도체의 얇은 원자층으로 엔지니어링하는 것은 소자의 최종 광전기적 거동에 dangling bond와 표면 전하 효과를 완화하는데 필수적이다. 

참고: http://spie.org/x106126.xml?highlight=x2400&ArticleID=x106126