흡수층을 나노구조화 하기

흡수층을 나노구조로 하면 셀의 전기적과 광학적 특성 모두 이득이 있다. radial p-n 접합의 반도체 나노와이어 어레이로 구성된 셀이 대표적인 예이다. 

와이어 기학학과 크기는 효과적인 축방향 전하 추출과 와이어 길이 방향으로 우수한 광흡수를 제공한다. 

캐리어와 포톤 수송의 직교성은 소수 캐리어 확산거리가 짧은 저품질의 재료를 사용할 수 있게 한다. 

나노콘을 반사 방지 코팅으로 사용하지 않고 나노콘이 패턴된 기판 위에 a-Si을 증착하여 나노구조의 a-Si 태양전지를 만들 수 있다. 

나노콘 위의 ~300 nm 두께의 a-Si:H의 등각 증착(conformal deposition)은 나노돔이 있는 광흡수층을 낳았다.  

이 디자인에서 나노돔은 반사 방지를 위한 graded 굴절률 매칭을 제공할 뿐아니라 빛을 셀의 수평으로 구속된 가이드 모드와 결합시킨다. 

400과 500 nm의 파장의 광의 대부분은 a-Si:H 층을 통한 한 번의 통과로 흡수되고 방사 방지 효과가 중요해진다. 

장파장의 광(600과 700 nm)은 한 번의 통과로 흡수되지 않기 때문에 돔의 간격을 최적화하여 평면 가이드 모드와의 결합이 최대가 되게 해야한다.

태양전지 흡수체가 Mie 공명기로 만들어질 수 있다는 것이 제안되었다. Yao et al.은 나노결정 Si 껍데기가 태양전지의 흡수층으로 사용될 수 있고 평면의 흡수층에 비해 광흡수율이 20배 높다는 것을 보였다(그림 4f).

이것은 셀의 Mie 모드로의 빛의 결합이 흡수 물질 안에서 광의 재순환을 야기하기 때문다.   

상대적으로 낮은 optical quality factor의 Si 껍데기 공명은 입사광과 공명 모드 사이의 결합을 효과적으로 이끌 뿐 아니라 스펙트럼의 공명 흡수 강화 영역을 넓힌다.

나노구조의 간격이 광 파장의 크기라면 광결정 효과가 나타난다. 전체 태양광 흡수를 최적화하기 위한 연구는 나노구조의 크가, 모양 그리고 filling ratio의 공동 최적화가 중요하다는 것을 보여 준다. 

Garnett et al.은 8 um 두께의 Si 멤브레인 위에 5 um 길이의 Si 나노와이어 어레이를 제공하여 최적화된 셀에서 광경로 길이를 상당히 증가시켰다. 

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