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고효율 실리콘 양자점 태양전지 실현을 위한 양자나노구조 제조공정

전문가 제언: ○ 일본 Fukushima 원자력 발전소 사고 이후 전 세계는 원자력발전 대신 이와 동등 이하의 발전비용을 갖는 전력에너지 소스 개발에 분주하다. 미국 및 EU/일본(공동연구)는 III-V족 화합물반도체 기반 3접합 이상 구조 태양전지의 고집광 기술로 효율 40%대를 달성하고, 45% 목표로 연구 중에 있다.

○ 한편 다중 여기자 생성(MEG) 및 다종의 양자점 태양전지 등 차세대 태양전지도 연구되고 있다. 실리콘 양자점 태양전지는 가장 경제적이지만 불순물, 불균일한 양자점(QD) 크기, QD에서 발생한 전자의 원활한 수송이 문제였다. 후자는 초격자 QD 어레이의 해결책이 연구되고 있다. QD는 양자크기효과에 의해 나노크기가 작아질수록 광흡수 파장이 짧아지고, 띠 간격 에너지가 커진다. 크기가 다른 QD 셀(2eV~1.1eV)의 다중화로 태양광의 전 파장을 흡수할 수 있는 꿈의 기술이다.

○ 이 글은 화합물 반도체 대신 안전한 실리콘 양자점 태양전지의 QD 제조공정을 소개하고 있다. 통상의 실리콘 산화막과 실리콘 이용 Co sputtering 법이나 자기조직화법은 QD 간격 등의 치수 불균일 및 결함 이 문제였다. 저자들은 ①자기조립 시 나노 크기 초균일성을 갖는 단백질 내 철미립자를 마스크로 하고 ②플라즈마 에칭 시 초저손상 중성자 빔 에칭을 조합함으로써 이상적 구조의 QD 제조가 실현되었다. 크기에 의한 띠 간격 제어와 고효율 광흡수를 실현하였다. 금후 효율 45% 목표에는 적층화가 필요하여 셀 간 접합 등 상당한 연구가 필요할 것이다.

○ 2008년 12월말 한국에너지기술연구원(KIER)(이정철 책임)은 “초고효율 양자점 태양전지 원천기술“을 보고하였다. 2010. 6월 한국표준과학연구원(KRISS) 김경중은 ”수직접합 실리콘 양자점 태양전지 원천기술개발“을 보고하고, 나노표면 분석법을 개발/표준화하고 있다. 2009년 KIER 및 충남대 김현종, 문지현 등의 2건 논문, 2011년 안치성(성균관대), 김광수(삼성전자) 등의 논문이 발표되었다. 세계 최고 수준은 아직 아니나 활발한 연구활동을 보이고 국가지원은 있었으나 불충분하였다.

○ 한국은 실리콘 반도체 기술축적이 높아 정부지원만 충분하면 낙관적이다. 원자력발전 대안의 국가 최대 에너지 정책으로 지원이 필요하다.

저자: Seiji Samukawa
자료유형: 학술정보