나노선 태양전지의 효율을 높이는데 성공했다.

2일 한국연구재단에 따르면 경희대 김선경 교수(제1저자)와 미국 노스캐롤라이나 채플 힐 대학 제임스 카훈(James Cahoon) 교수(교신저자), 고려대 박홍규 교수 연구팀은 나노선 태양전지에 저렴한 유전체 코팅기술을 도입해 효율을 2배 가량 높였다.

나노선 태양전지는 지름 100~300㎚의 나노물질을 합성해 태양전지의 광전자 소자에 활용한 것으로 같은 두께의 일반 박막 태양전지보다 단위 부피당 광 흡수율이 2배 이상 높다.

하지만 흡수 부피가 작아 전체 광 흡수율은 떨어져 상용 태양전지에 활용하는데는 어려움이 있었다.

연구팀은 나노선 기둥 중심부와 외곽에 실리콘을 도핑하고 유전체 껍질을 도포해 나노선 기둥 최외각에 광학안테나 효과를 증대시켰다.

광학 안테나 효과는 전자기파에 해당하는 빛이 자신의 파장보다 작은 차원의 물체를 만나게 되면 그 주위에 빛이 집중되는 현상으로 광학 안테나 효과가 증대될 경우 외부에서 들어오는 빛이 나노선 내부로 입사되는 비율이 증가한다.

연구팀을 이를 통해 유전체 층 도입 전보다 2배 가량 광 흡수율을 높아졌음을 확인했다.

또 코팅된 유전체의 굴절률이 증가할수록 광학 안테나 효과도 증대된다는 사실을 확인하고 질화규소(Si3N4)를 유전체 코팅에 사용해 나노선 태양전지의 효율도 2배 가량 높였다.

김선경 교수는 "나노선 태양전지 소자는 작은 흡수 부피로 인한 광 흡수 저하가 늘 문제였지만 유전체 코팅기술로 광 흡수율을 2배 가량 높이는데 성공했다"며 "모든 형태의 나노선 태양전지에 즉시 구현이 가능한 만큼 태양전지 분야 외에도 나노선의 광학 안테나 효과를 활용한 발광다이오드, 센서, 광 검출기의 응용 분야에도 적극적으로 활용될 것으로 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(신진연구자 지원) 지원으로 수행됐다. 연구결과는 나노 과학기술 관련 학술지인 나노레터(Nano Letters)에 게재됐다. (논문 제목:Doubling absorption in nanowire solar cells with dielectric shell optical antennas)

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