태양전지의 나노선(線)에 코팅하는 것으로 태양전지의 효율을 두 배로 높이는 기술을 국내 연구진이 개발했다.
경희대 응용물리학과 김선경 교수는 2일 나노선 태양전지 표면을 질화규소 유전체(誘電體, dielectric substance)로 코팅하는 기술로 효율을 높이는 데 성공했다고 밝혔다. 이번 연구는 미국 미국 채플힐 노스캐롤라이나대 제임스 카훈 교수와 고려대 박홍규 교수가 참여했으며, 나노 과학기술 관련 권위지인 '나노레터'에 지난달 관련 논문이 게재됐다.
나노선 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 부분에 실리콘 박막 대신 지름 100~300 나노미터(㎚, 1㎚=10억분의 1m), 길이 수십 마이크로미터(㎛, 1㎛=100만분의 1m)의 가느다란 형태의 실리콘 나노선을 사용한다. 태양전지에 사용되는 나노선은 빛을 가두는 효과는 크지만 흡수량 자체는 작은 게 단점으로 지적돼 왔는데 이번 연구는 이 문제를 근본적으로 해결한 것으로 평가받고 있다.
연구팀은 나노선에 질화규소(Si3N4) 유전체 층을 50 나노미터 두께로 입혔다. 코팅에는 저렴하고 간단한 플라즈마 화학 기상 증착법을 사용했다. 유전체는 정전기장을 가할 때 전기 편극은 생기지만 직류 전류는 생기지 않게 하는 물질을 말한다.
코팅으로 두터워진 나노선에는 내부로 들어오는 빛의 양이 늘어나게 됐고, 태양전지 효율도 두 배로 향상됐다.
특히 유전체 코팅기술은 기존의 제작 공정을 크게 바꾸지 않고도 되고, 저비용으로 대량생산할 수 있어 즉시 도입이 가능할 것으로 예상된다.
김 교수는 "기존의 박막 구조에만 적용되던 유전체 코팅기술을 나노구조까지 확장해 광학 안테나 효과가 향상되는 것까지 설명한 것은 물리학적으로도 의미있는 발견"이라고 말했다.
강찬수 환경전문기자 envirepo@joongang.co.kr
유전체 코팅으로 태양전지 효율을 향상시키는 기술의 원리. 기존 나노선이 유전체(질화규소, SiNx)로 코팅된 모습(왼쪽), 유전체 코팅으로 실리콘 나노선 태양전지의 광전류가 최대 80%까지 증가했고(가운데), 유전체 코팅 전후로 껍질 도입 전후의 빛 흡수 효과를 분석한 전자기학 계산 결과(오른쪽).
