평면 형태의 고굴절 구조는 태양광 반사율이 기대치 않게 높지만 고굴절 나노 구조는 파장보다 짧은 규모로 광을 조작하게 할 수 있는 길을 열어준다.
예를 들어, 나노와이어, 입자, 그리고 기공은 강한 광학적 공명이 일어나게 해주어 광 흡수와 산란 과정을 효과적으로 제어하고 강화시킬 수 있게 한다.
이와 같이 고굴절 나노 구조는 새로운 광대역 저반사 코팅, 광포획과 초흡수막을 위한 이상적인 단위체(building blocks)가 될 수 있다.
광포집 능력을 더욱더 향상시키기 위해서는 어떤 산란 나노구조가 최적이고 어떻게 가장 잘 셀 표면 위에 나노구조를 공간적으로 배열할 것인가를 이해하는 것이 중요하다.
강한 광집중과 산란 특성에 기반한 금속 나노구조를 이용한 광포획 층은 과거 10년간 큰 관심이 이었지만 이상적인 셀 디자인에서 제한적으로 효과가 실험적으로 증명되었다.
여기서는 기생 광 손실 없이 금속 나노 구조와 유사한 광산란을 시키는 고굴절률 유전체와 반도체 나노구조에 대해 설명한다.
광포획 이론 기초
두꺼운 일반적인 태양전지에서 광포획 한계에 대한 설명은 태양전지의 열역학적의 기본적 이해와 광포획 층의 실제적인 디자인 모두에 큰 영향을 끼친다.
통계적 ray optics 분석으로 부터 등방성 방사 패턴을 갖는 태양전지를 위한 최대로 얻을 수 있는 광흡수 증대는 4n^2의 Yablonovitch 한계이다. 여기서 n은 흡수 반도체의 굴절률이다.
나노크기의 광 구조가 얇은 셀에서 태양광을 다루기 위해 이용될 때 ray opitics 모델을 사용할 수 없고 wave optics 개념이 새로운 성능 한계를 수립하기 위해 요구된다.
wave optics 도메인에서는 태양전지의 전자기 모드의 분석 부터 시작할 필요가 있는데 태양전지는 광학 모드의 큰 다양성을 제공할 수 있기 때문이다.
(그림 1. 박막 태양전지 셀에서 광학 공명 여기에 의한 흡수 증대)
그림 1a는 고굴절률 나노구조로 구성된 광포획 층을 갖고 있는 모범적인 박막 태양전지의 도식도를 보여준다. 특히, 1 um 두께의 c-Si 막과 완벽한 후면 거울이 있고 광포획 층으로써 표면에 주기적으로 배열된 c-Si 나노와이어가 있다.
막이 충분히 얇을 때 광흡수 강화를 위해 여기될 수 있는 가장 일반적으로 발생할 수 있는 모드가 4가지 있다.
이 모드들의 본성은 입사광의 각도와 파장의 함수에 따른 반도체 물질내의 광흡수를 그림으로써 알 수 있다(그림 1b).
결과물인 2차원 흡수 지도는 흡수가 강한 수 많은 특징을 보여준다. 이 특징들은 셀이 제공하는 구별되는 모드 크기와 태양광의 공명 커플링에 기인한다.
서로 다른 종류의 공명은 서로 다른 전자기장의 분포를 보여주고 입사광의 각도에 대해 서로 다른 공명 파장의 의존성을 나타낸다(즉 분산 특성(dispersive property)이 다른 것이다). 이 다름이 공명을 분류한다.
그림 1b의 1~4 라벨은 그림 1a에 예시된 4가지 공명이 여기될 수 있는 입사광(파장가 각도) 조건을 나타낸것이다.
이들 조건에 대응하는 전기장 분포는 그림 1c-f에 나타나 있다. 그림 1c는 나노와이어의 hexapolar 대칭의 광학 공명의 여기를 명확히 보여준다. 이 공명은 아래에 있는 Si 층의 가이드 공명과 잡종이된다.
그림 1d는 낮은 속성 인자 Faby-Perot 정상파 공명을 보여주는데 고굴절률 Si 막의 윗면과 금속 후면 반사체 사이에 반사로 인한 광 구속 효과로 부터 생긴것이다. 그림 1e는 Si 층의 가이드 공명을 보여준다.
이것은 주기적인 나노 와이어의 어레이가 격자로서 역할을 함으로써 생기는 것인데 수직 입사된 평면파와 Si 층의 waveguide 모드의 위상 매칭 커플링이 일어나게 한다.
전기장 분포는 guided 공명의 특징인 반도체층의 평면내의 주기적인 강도의 변화를 나타낸다. 각 guided 공명은 흡수 map의 위쪽에 있는 셀이 제공하는 다양한 guided 모드의 분산 다아아그램를 위에 가로 놓이게 해서 독특하게 결정된다.
또 다른 각도 의존 특징은 회절 모드의 여기와 관련있다(그림 1f). 그러한 모드들은 입사광이 광포획 층의 평면으로 다시 향하게 될 때 여기될 수 있다. 이들 모드들은 또한 밑에 있는 반도체층으로 확장될 수 있으며 유용한 광흡수를 이끌 수 있다.
서로 다른 공명을 분리할 수 있는 능력과 함께 그 공명의 근원에 대한 지식은 전반적인 광흡수에 대해 더 신중하고 효과적인 최적화를 가능하게 한다.
각 공명은 선폭의 특징을 지니는데 이는 광이 보낸 시간과 셀 내의 공명에 의해 지배 받는다. 이 시간은 셀 내의 광흡수와 외부로 복사 누설(radiation leakage) 모두에 의해 제한된다.
그림 1b에서 모든 공명의 스펙트럼 선폭이 태양광 스펙트럼의 보다 매우 좁다 것을 알 수 있다. 따라서 모델 관점에서 광포획을 이해하기 위해 전체 광흡수 강화에 대한 각 모드와 모든 모드의 기여를 결합하는 것이 필요하다.
전적으로 wave-opitics에 기초한 이런 형태의 광포획 이론의 공식화는 광포획 과정의 본성에 중요한 통찰력을 준다.
특히, 이 이론은 강하게 over-coupled 영역에서 서로 다른 공명을 일으키는 값을 강조하는데 흡수체의 안과 바깥쪽의 커플링을 최대로 가능한 확장시킴으로써 이해 할 수 있다.
Over-coupling은 피크 공명 파장에서 광흡수를 떨어뜨리지만 공명 범위를 넓힘으로써 광흡수 범위를 넓힌다.
Over-coupling은 각개의 공명 대부분을 얻을 수 있게 해주며 최적화된 광대역 광흡수 증대는 단위 주파주당 그러한 수 많은 공명을 쌓아 올려 달성할 수 있다.
실제적인 측면에서 통계적 순간 커플 모드 이론은 광포획층에서 물질서의 형태와 정도 뿐만 아니라 셀의 발광/흡수의 각 의존 특성를 최적화하기 위해 이용될 수 있다.
Wave optics 이론은 솔직하게 벌크 셀을 위한 고전적인 4n^2 한계를 따른다. 이 이론은 또한 파장 규모의 박막의 한계는 벌크의 한계와 매우 비슷하다는 것을 보여 준다. 더우기 나노광학 구조의 이용은 광대역 파장 범위에 걸쳐 광학 모드의 밀도를 강화시켜 일반적인 한계보다 상당히 높은 광포획 강화 비율을 얻을 수 있다.
여기서의 wave optics 이론은 광학 상태의 local density에 기반한 광포획의 기술과 양립한다는 것에 주목할 필요가 있다. 두 이론 모두 흡수 매질과 관련있는 모드의 좋은 모드와 겹침이 갖는 장점을 설명한다.
광포획은 통상적으로 광캐리어 생성율을 증가 시켜 태양전지의 Jsc을 증가시킨다.
광포획 전략은 점점 더 효과적이 되고 있고 또한 지금까지의 얇은 태양전지에서 광 매니지먼트은 Voc에 긍정적인 영향을 줄 수 있다고 여기지고 있다.
아주 얇은 흡수층일때 벌크 재결합 감소가 암전류 Idark 감소를 야기해서 Voc 증가를 이끌 수 있다. 이는 아래 수식에서 볼 수 있다.
Voc = kT/q × ( Iphoto/Idark + 1), 여기서 k는 Boltzman 상수, T는 셀의 온도,
q는 전자 전하의 절댓값, Iphoto는 광전류다.
내부 손실이 매우 적은 셀의 경우 추가적인 Voc 향상 가능성이 있다. 이것은 태양전지에서 필연적인 손실 모두를 조사한 Shockley-Queisser에 의한 연구의 분석 으로 부터 이해될 수 있다. 이렇게 하여 단일 접합 셀의 효율 한계를 수립할 수 있었다.
그들은 매우 높은 셀 효율 얻기 위해서는 전자-홀 농도와 셀로 부터 포톤에 의한 효과적인 형광 방출의 곱이 커야 한다는 것을 보였다.
고 굴절률 반도체에서 내부적으로 생성된 포톤는 포획되거나 재흡수 또는 재방출될 가능성이 높다. 이 과정을 ‘포톤 재활용’이라고 부른다.
상당한 외부 형광의 관측은 내부 광손실이 적다는 것을 의미한다.
Shockley-Queisser 한계에 도달하기 위해서는 셀이 Voc에서 동작할 때 외부 형광 수율이 100%가 되는 셀을 만들 필요가 있다.
따라서 광포획 전략이 태양전지의 Voc와 Isc 모두를 제어하는데 사용될 수 있다는 것은 명백하다.
참고: Light management for photovoltaics using high-index nanostructures, Mark L. Brongersma, et al., Nature Materials, published online: 22 April 2014⎜DOI: 10.1038/NMAT3921
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