이런 이유로 나노 구조는 효과적인 반사 방지 코팅으로써 역할을 할 수 있다.
그 간격이 파장 크기일 때 나노 구조는 효과적인 grating-coupling을 통해 가이드 공명을 만들어 나노 구조를 광결정으로 만든다.
광이 복소 굴절률이 서로 다른 n1과 n2의 매질 사이의 계면으로 수직으로 통과할 때 반사된 광의 강도는 반사율로 부터 알 수 있다.
R = [ (n1-n2) / (n1+n2)]^2
이 식으로 부터 태양광이 굴절율의 실수와 허수가 모두 큰 반도체 물질로 입사될 때 강한 반사율을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 연마된 Si 표면에 태양광 에너지의 대부분을 차지하는 가시광에서 적외선에 걸친 포톤이 입사되면 30%이상이 반사된다.
반사율을 줄이는 일반적인 방법은 1/4 파장의 두께와 기판과 공기의 굴절율의 기하 평균과 동일한 실수부 굴절률을 갖는 반사 방지막을 코팅하는 것이다.
상용 Si 태양전지에서 가장 흔한 반사 방지 코팅 막은 SiO2(n=1.5)와 SiNx(n=2)의 투명 박막이다. 하지만 이 단순한 막은 상쇄 간섭에 의한 후면 반사 광이 최소화되는 입사광의 한정된 파장과 각도에서만 반사 방지 효과가 있다.
반도체 나노구조의 조밀한 어레이가 대안이 될 수 있는데 얇은 막이여도 광대역 파장과 넓은 입사각에 걸쳐 반사 방지 효과가 뛰어나다.
반사 방지 코팅 관련 중요한 발견 중 하나는 나방의 눈의 각막이 구조화된 표면을 갖고 있다는 것인데 이 표면 구조가 극적으로 빛의 반사를 억제한다는 것을 알았다.
1970년도에 reactively sputter-etched 반도체의 텍스처 표면으로 부터 완전히 검은 표면을 얻었다.
Stevens와 Cody는 표면 위에 deep-subwavelength 크기의 조밀한 나노구조의 어레이가 광 반사을 최소하기 위한 광학 특성이 점진적으로 변화될 수 있는 매개체의 역할을 한다는 것을 알았다.
1990년에 잘 정렬된 subwavelength 크기의 반도체 나노구조 어레이가 개발되었는데 평면파 간섭을 이용한 포토리소그라피 공정으로 ~1 cm2의 면적으로 만들어 졌다.
태양전지 제조에 바로 쓸 수 있는 나노구조 기술은 화학 에칭 공정을 통한 램덤 텍스처 뿐 아니라 생체 모방을 통한 Si 나노팁, 나노콘과 돔(dome), 나노와이와 이중 지름의 나노 기둥의 정렬된 어레이의 합성이 있다.
a-Si 박막 평면에 nanosphere lithography을 이용해서 나노콘 패턴을 만들었다(그림 4a). 이 표면 텍스처는 평평한 a-Si 표면의 반사율을 약 40%로 감소시켰다.
나노콘 어레이가 반사율이 ~15%인 나노기둥 어레이(그림 4b) 보다 성능이 우수하다. 그 이유는 나노기둥 어레이는 공기에서 a-Si 표면으로의 굴절률 변화가 거의 없기 때문이다.
나노콘의 높이, 밑부분 지름 그리고 종횡비가 광대역과 전방향 반사 방지를 위해 최적화 된다.
종횡비가 >1 일때 반사 방지 효과가 가장 좋고 <1 이면 광을 효과적으로 산란시켜 태양전지에 가이드 공명이 일어나는 것이 가능하게 한다.
나노구조 표면이 있는 셀은 좋지 못한 표면 패시베이션으로 인해 성능 저하가 일어나기 쉽다.
이런 이유로 나노구조 어레이 위에 얇은 유전체 막을 입히는데 이렇게 하면 패시베이션도 되고 반사율을 더 줄일 수 있다.
최근 연구는 큰 종횡비의 나노와 마이크로 구조 반도체 단위체와 더불어 Auger와 표면 재결합을 최적화하기 위해 도핑과 표면 패시베이션을 세심하게 설계하는 것이다.
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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