레이저 물결 구조 형성을 통한 태양 전지 효율 향상

레이저 공정을 통해 광범위한 영역으로 실리콘 내에 깊은 물결 구조를 생성할 수 있게 되었으며, 이는 태양 전지 효율 향상에 도움이 될 것으로 기대된다. 싱가포르 A*STAR연구소(Agency for Science, Technology and Research)에서는 펨토초 레이저빔 스캔을 통해서 실리콘 표면 상에 광범위하게 균일한 나노 크기의 물결 패턴을 형성하는데 성공하였다. 물결 표면은 평평한 표면보다 반사가 훨씬 줄어드는 효과가 있으며, 태양광 에너지 수확 능력을 향상시킬 수 있어 태양전지 효율 강화에 혁신적인 역할을 할 것으로 기대된다.

주기적인 표면 구조를 형성하기 위해 레이저를 활용하는 것은 이미 여러 분야에서 현재 이루어지고 있는 기술이다. 레이저 공법은 물질의 표면에만 열을 가하기 때문에 기저 구조에는 추가적인 영향이 가해지지 않아, 활용 잠재성이 상당히 높다. 하지만 다양한 레이저 공법을, 단지 소규모 영역과 얕은 물결 구조만을 만드는데 활용할 수 있어, 응용적 측면에서 제약이 존재한다.

A*STAR 소속 Xincai Wang 박사는, 난양공과대학교와 함께 이러한 제약사항을 효과적으로 해결할 수 방법을 제시하는데 성공하였다. 연구진은 30mm X 30mm 크기의 큰 실리콘 물질에 평균 30nm 깊이의 균일한 물결 패턴을 만드는데 이러한 레이저 공법을 성공적으로 도입하였으며, 관련 기술의 응용 잠재력을 기대하고 있다. 이번 레이저 공법을 통해 만들어진 물결 구조는 이전 기술력에 비해 3배 이상 깊은 수준이다.

Wang 박사는, “깊이 향상은 빛 반사를 상당히 감소하는 효과를 가지며, 물결 구조는 빛을 가두는 능력을 향상시킨다. 따라서 광전지 장치에 이러한 구조를 응용한다면, 더 많은 빛이 구조 내에 갇히게 되고 장치의 효율 또한 향상된다”고 설명한다. 펨토초 레이저빔을 50um 너비로 확장하기 위해 실린더형 렌즈를 이용하였으며, 실리콘 표면을 가로지르며 빔을 스캔하는 식으로 간단하면서도 비싸지 않은 방법을 고안하였다.

레이저의 광자 에너지가 실리콘의 밴드 갭을 넘어서면, 광자는 원자가 전자대에서 전도대까지 전자를 들뜬 상태로 만든다. 이러한 전자들은 보통 원자 격자에 에너지를 전달하면서 열을 만들어 낸 후, 바닥 상태로 돌아가게 된다. 하지만 극도로 짧은 펄스의 지속에는 표면에 전자 파형(물결)이 대신 형성된다. 이는 빛의 파형 형성으로 바뀌게 되는데, 레이저 빔의 도입을 방해한다. 들어오고 나가는 빛의 파형이 구조적으로 서로 방해하는 위치에서 제거된 실리콘에는 물결 패턴의 골이 깊게 형성되게 된다.

연구진은 물결 구조 실리콘 표면의 평균 반사율이 39.7%에서 12.5%로 감소한 것을 확인하였으며, 이는 빛 흡수율이 41% 가량 향상되었음을 의미한다. 이러한 효과는 태양전지와 발광다이오드 상의 광자 움직임을 관리하는데 이용될 수 있다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr