[신기술 소개] 용액기반 태양전지 제조

578…NICE, 제29권 제5호, 2011

신기술 소개

반도체 물질로 만든 나노와이어(nanowire)는 태양 전지에 주로 사용되었는데, 특히 core shell 구조를 갖 는 나노와이어는 전하수집효율(charge collection efficiency)이 높을 것으로 예상되어 많은 연구가 진 행되었다. 그러나 core shell 형태의 나노와이어는 고 온 도핑(dopping)공정 중 발생하는 재결합현상 (recombination)으로 인해 전하수집효율이 낮으며, 전하이동과 빛의 흡수 측면에서도 효율이 낮은 단점 이 있다. 이러한 이유로 나노와이어를 기반으로 한 태 양전지는 평판형 태양전지보다 에너지 전환효율이 떨 어지고 그 응용 또한 매우 제한적이다. 이를 해결하기 위해서는 기상에서의 epitaxial 증착법이나 molecular beam epitaxy를 이용하여 재결합현상이 낮고 전하수 집효율 높은 core-shell 구조의 단결정 박막을 형성해

야 한다. 그러나 앞서 언급한 박막 증착법은 공정이 복잡하며, 공정비용이 높다. Core-shell 나노와이어 구 조 이외에 태양전지용 heteroepitaxial nanometrials을 제작하기 위한 방법으로 양이온 교환 반응법(cation exchange reaction)이 제시되었다. 이 방법은 공정이 간단하고 박막제조 비용도 저렴하다는 장점이 있지만, 고온 도핑 및 나노물질의 증착이 어렵다는 단점이 있 다. 최근 UC Berkeley의 Yang 교수 연구팀은 open circuit voltage (VOC)와 충전율(fill factor)이 기존에 보고된 평판형 전지보다 우수한 core-shell 나노와이 어 구조의 태양전지를 제조하였다. 이들은 초기에 PVT (physical vapor transport) 법으로 합성한 CdS 나노와이어를 직경 100~400 nm, 길이 50 µm로 성 장시킨 후, 0.5 M의 CuCl 용액에 5~10 초 동안 담그 삼차원 다층 형식의 고품질 NIMs을 간단한 인쇄 방

식으로 대면적 제조를 할 수 있는 방법을 제시하였다.

[그림 1(A)]는 이러한 3차원 NIMs의 제조 공정에 대한 개략도이다. [그림 1(B)]은 실리콘 스탬프의 윗 면인데 실리콘 기판의 나노스케일 양각 패턴의 구조 는 재사용이 가능한 도장과 같은 역할을 한다. 이후 electron beam evaporation으로 양각 패턴 위에 실리 콘 기판 표면과 수직이 되도록 다층 다량의 물질을 쌓 아 올린다. 이러한 다층 구조는 11개의 층으로 구성되 며 3차원 NIMs의 구조는 x축과 y축이 각각 635 nm, 225 nm이고, 구간은 850 nm인 그물망 구조를 이룬 다. [그림 1(C)]는 대상 기판으로 전달된 NIMs의 구 조이다. Polydimethylsiloxane(PDMS)와 같은 유연 기판은 전사인쇄를 통해 증착된 Ag과 MgF2층을 전 달시킨다. 이러한 증착물질은 그 패턴을 유지하며 표

면으로 전달되고 도장에 남아있는 물질은 재사용을 위해 제거된다. 단단하거나 유연한 기판 위로 증착물 질의 전사인쇄를 통하여 처리량이 높아진다. 비록 음 굴절작용은 입사광이 수직으로 들어올 때만 발생하지 만 물리적인 유연성을 지닌 기판에서는 평면 형상을 이용한 시스템으로 NIMs의 설치를 가능케 할 수 있 다. 또한 위치적으로 수직 배열 패턴에 입사하는 빛만 작동하는 곡선 기판에도 NIMs를 제조하는 것이 가능 해 진다. [그림 1(D)]는 8.7 cm×8.7 cm의 크기의 실리콘 스탬프에 제조된 11층의 NIMs와 PDMS에 전사인쇄된 NIMs이다. 이러한 연구 결과는 실리콘 스탬프와 같은 기판을 이용하여 간단한 인쇄 기술로 대면적의 3차원 NIMs 제조가 가능함을 제시하였다 [Nature Nanotechnology, Vol. 6, p. 402 (2011)].

용액기반 태양전지 제조

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 5, 2011…579 어 CdS 표면에 두께 5~20 nm, 격자간격이 약 3.2 Å

의 Cu2S shell을 형성하였다. 이후 Cu2S 표면을 CuCl 용액에 노출시켜 양이온 교환 반응법으로 heteroepitaxial junction을 형성한 다음 금속전극을 연결하여 전지를 제조하였다[그림 1(A), (B)]. 이러한 core-shell 구조 의 전지는 [그림 1(C)]에서 보는 바와 같이 VOC이 0.61V이었고, 기존의 평판형 전지보다 적은 빛 흡수 에도 불구하고 에너지 전환효율이 ~5.4%로 높았다.

또한 이 전지는 병렬저항(parallel resistance)이 1 T Ω 으로 매우 높았는데 이는 약한 광원 조건에서도 전지 의 성능저하가 작다는 것을 의미한다. 실제 빛의 세기 감소에 따른 VOC감소를 보면 core-shell 구조 전지의 VOC감소율은 22.5 mV로 기존 실리콘와이어의 감소 율(56 mV)이나 Cu2S 박막형 전지의 감소율(39 mV)보다 작았다[그림 1(D)]. 그 이유는 core-shell

구조는 빛을 흡수할 수 있는 면적이 기존의 실리콘와 이어나 박막형 전지보다 월등히 우수하고, 재결합현 상으로 인한 표면 결함이 작기 때문이다. 한편, 파장에 따른 광전류(photocurrent)의 변화를 보면 Cu2S만 빛 을 흡수할 수 있는 영역인 520 nm 이상의 영역에서 는 광전류가 급속히 감소하지만 빛 흡수가 여전히 진 행된다[그림 1(E)]. 이는 CdS 위에 Cu2S shell이 약 5~20 nm 정도 증착되었기 때문에 긴 파장의 영역에 서도 10~20% 정도 빛 흡수가 가능함을 나타낸다. 이 처럼 간단한 제작과정과 저렴한 제작 비용으로 전하 수집효율이 높은 core-shell 나노와이어 구조의 태양 전지는 기존의 태양전지가 갖는 에너지전환 효율의 한계를 극복할 수 있는 기술로 기대된다[Nature Nanotechnology, online publication August 21, 2011].

그림 1. CdS-Cu2S core-shell 구조의 나노와이어 제작방법과 이를 이용한 태양전지 특성 (A) 태양전지 제작방법, (B) 나노와 이어의 SEM 사진, (C) I-V 특성 (1 sun (AM 1.5 G) illumination), (D) 빛의 세기에 따른 광전류와 VOC의 변화, (E) 광 전류의 파장의존도.