블랙 실리콘 태양전지가 효율 갱신을 하다

블랙 실리콘 기술은 실리콘 웨이퍼 맨 꼭대기에 나노 크기의 바늘을 형성시키는 것인데 더 넓은 태양광 스펙트럼(단파장, 300~500 nm)을 포획하고 심지어 저입사각 광 에너지를 이용할 수 있다는 것이 증명되고 있다.

블랙 실리콘의 높은 광흡수는 입사광의 파장 보다 작은 크기의 나노 구조를 이용하여 Si과 공기 계면에서의 굴절률을 점진적으로 매칭시킴으로써 얻는다.

 하지만, 블랙 실리콘은 나노구조의 증가된 표면적에 의한 표면 재결합 증가로 인해 이 이득은 실험실에서만 한정적이다.

블랙 실리콘을 만드는 방법은 laser texturization, plasma immersion ion implantation, metal- assisted wet etching, 그리고 cryogenic deep reactive ion etching(DRIE)이 있다. DRIE는 여러 장점이 있다. 공정이 빠르고 싸고, 결정 배향 의존성이 없고 마스크 층이 필요없다.

(그림 1 ⎜블랙 실리콘의 구조와 반사율. a, 블랙 실리콘의 SEM 이미지. 실리콘 기둥의 일반적인 높이는 ~800 nm이고 바닥 부분의 직경은 ~200 nm이다. 밝게 빛나 보이는 20 nm Al2O3 층이 실리콘 기둥 위에 코팅되어 있다. b, 반사 스펙트럼. 파선은 블랙 실리콘 자체의 반사 스펙트럼이고 검은 실선은 20 nm Al2O3가 코팅된 블랙 실리콘의 반사 스펙트럼이다. 점선은 90 nm Al2O3 가 코팅된 램덤 피라미드의 반사 스펙트럼이다.)

최근 Aalto university와 Universitat Politecnica de Catalunya의 연구자들은 DRIE 방법으로 블랙 실리콘을 만들어 효율 22.1%로 블랙 실리콘 태양전지(p-type Si, 셀 면적 9 cm2)의 효율 갱신을 했고 Fraunhofer ISE CalLab으로 부터 인증을 받았다.  이 성능은 나노 구조에 ALD 증착 pin-hole-free conformal Al2O3 페시베이션 막을 적용하고 back contact 셀 구조와 통합하여 달성되었다. 특히 Al2O3 막은 우수한 화학적과 전기적 페시베이션을 제공했다.

300 nm 파장에서 외부 양자 효율 96%은 표면 재결합이 더 이상 문제가 되지 않는다는 것을 보여준다. 

(그림 5: 입사각 의존 EQE와 일일/연간 전력 생산 증가. a, 입사각에 따른 b-Si 셀의 EQE. b, 수직 입사 대비 상대 광전류. c, 최적 경사 각도에서 위도 함수로서 Ref. 셀 대비  b-Si 셀의 연간 전력의 상대적인 증가. d, 다른 위치에서(60º Helsinki, 40º Barcelona) 1년에 걸친 일일 전력의 상대 증가)

블랙 실리콘의 저입사각의 태양 복사를 포획하는 능력으로 인해 전통적인 셀에 비해 하루 동안 전기를 더 많이 생산할 수 있다.

이것은 특히 1년의 대부분이 저입사각의 태양 빛이 빛이는 북반구에서 유리하데 겨울철 Helsinki에서 데모 했을 때 동일 효율의 전통적인 셀에 비해 3% 더 전력을 만들어 냈다.

연구자들은 블랙 실리콘 기술을 이용하면 전통적인 반사 방지 코팅이 필요 없기 때문에 제조 비용을 줄일 것으로 기대 하고 있다.

참고: http://phys.org/news/2015-06-solar-cells-energy.html, Black silicon solar cells with interdigitated back-contacts achieve 22.1% efficiency, Hele Savin, et al., Nature nanotechnology, published online: 18 May 2015 ⎜DOI: 10.1038/NNANO.2015.89