Si 태양전지를 위한 어레이(array)

태양전지가 얼마나 잘 광을 전기 에너지로 변환시키느냐는 광을 얼마나 잘 흡수하느냐에 전적으로 달려있다. 

지금까지 결정질 Si 기반 태양전지의 흡수 효율은 Si의 낮은 흡수 계수에 의해 제한된다. 이것은 본질적인 이슈이다. 

하지만 연구자들은 나노와이어 형태의 Si이 훨씬 좋은 흡수를 제공한다고 한다. 그 이유는 나노와이어는 안테나 효과(antenna effect)라고 하는 광을 구속하는 광 공동(optical cavity)으로써 역할을 하기 때문이다. 

그들은 나노와이어가 수직으로 또는 수평으로 배열된 어레이로 패킹되었을 때 어떻게 Si 나노와이어가 광을 흡수하고 흡수 특성이 어떻게 나노와이어의 모양과 조성에 의해 영향을 받는지에 대해 일련의 시뮬레이션(finite-difference time-domain(FDTD))을 했다. 

그들은 단일 나노와이어에서 어레이로 규모가 커질 때 흡수가 강화되는 것을 발견했다. 

많은 연구원들은 어레이의 흡수 효율은 떨어져야 한다고 생각하고 있었다. 왜냐면 단일 나노와이어의 안테나 효과는 어레이로 규모가 확대되면 없어지기 때문이다. 

하지만 이번 연구는 단일 나노와이와 나노와이어 어레이 사이의 흡수 효율은 거의 똑같다는 것을 보여준다. 그 이유는 나노와이어 어레이에만 있는 회절 효과 때문이다. 

연구자들은 단면 모양이 육각형이고 서로 다른 세 Si 조성을 갖는 나노와이어로 시뮬레이션을 시작했다: 결정질 Si으로만 된 나노와이어; 코어에 결정질 Si이 있는 비정질 Si 나노와이어; 또는 결정질 Si 코어와 비정질 Si 껍데기 사이에 정해진 거리를 가지는 나노와이어. 

20 nm 두께의 비정질 Si 껍데기가 임베디드된 결정질 Si 나노와이어가 균일한 결정질 Si 나노와이어에 비해 AM1.5G 태양 스펙트럼(280~1000 nm)하에서 40% 강화된 흡수를 보였다.

이러한 흡수에서 큰 증대는 비정질 Si 껍데기 내의 몇몇 공명 모드의 localization의 결과이다.

직사각형의 단면을 갖는 나노와이어는 육각형 나노와이어와 비교했을 때 특정 파장에 대해 증가된 흡수를 나타냈다.  

이번 시뮬레이션의 결과는 나노와이어 흡수 특성을 전략적으로 재단(tailoring)하기 위한 설계 규칙을 발견할 수 있게 해 줄 것이고 몇개의 광전지 재료를 함께 사용하는 나노 ‘텐덤’ 태양전지의 가능성에 대한 통찰을 줄 것이다.  

참고: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/56655