모기눈의 구조를 이용한 효율적인 태양전지-KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-02-23
모기눈의 구조를 이용한 효율적인 태양전지
KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-02-23 국가 기타 분야 물리학
전 세계적으로 태양 에너지와 같은 재생 에너지 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양 에너지는 환경 친화적이고 소멸하지 않는다는 점에서 궁극적으로 가장 유용한 재생 에너지원이 될 것으로 예상되고 있다. 최근 나노기술을 이용한 태양전지 재료 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 미국 캘리포니아 대학교의 Jin Zhang 교수팀은 새로운 나노 복합물 구조체를 제작하여 입사광자의 전류변환효율이 기존의 물질보다 더 좋은 특성을 얻었다 [GTB2008010233]. 그러나 이 방법은 제작과정이 복잡하다는 단점이 있다. 미국 플로리다 대학의 Chih-Hung Sun과 포틀랜드 주립대학의 Bin Jiang 는 모기의 눈 구조에 영감을 얻어 효율을 높일 수 있는 구조를 가진 태양 전지를 개발하였다. 연구진은 개발된 태양전지는 제작과정이 단순하고 비용이 저렴하여 기존의 태양전지보다 여러면에서 우수하다고 말하고 있다. 이들의 연구결과는 Applied Physics Letters에 Broadband moth-eye antireflection coatings on silicon.” 라는 제목으로 발표되었다.
Jiang과 공동 연구진은 모기의 눈이 반사율이 매우 낮다는 점에 착안하여 연구를 시작하였다고 하였다. 모기의 눈은 각막에 정렬된 융기들이 있는 데, 이런 구조로 인해서 반사가 거의 일어나지 않는다. 빛을 반사하지 않음으로써 야간에 천적으로부터 보호될 수 있도록 진화된 것으로 보인다.
연구진은 이런 모기눈의 구조와 특성을 이용하여 태양전지의 흡수율을 높이고 반사가 거의 일어나지 않는 태양전지를 개발하였다. 연구진은 반사율이 거의 없는 구조를 만들기 위해서 스핀 코팅 방법을 이용하였다. 태양전지에 사용되는 것과 비슷한 실리콘 웨이퍼를 사용하여 나노입자 구조를 에칭으로 실리콘 웨이퍼에 만들었다. Jiang은 그들이 사용한 방법은 마치 박스안에 유리구슬을 넣고 흔들면 유리구슬이 자체적으로 정렬되어 어레이 형태를 갖는 것과 비슷한 과정이라고 하였다.
기존 태양 전지는 반사 방지 코팅이 비효율적이며 제작이 어렵고 비용이 많이 드는 데 비하여 새로운 방법은 반사율이 2% 미만으로 우수하고 제작공정이 간단하고 비용이 저렴하다는 장점이 있다고 한다. 이들은 개발된 기술을 상업화 시키기 위해서 곧 회사를 설립할 예정이라고 한다. 현재는 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있는데, 연구를 통하여 다결정 실리콘을 이용한 태양전지의 개발에 힘쓰고 있다고 한다.
태양전지에서 볼 수 있는 푸른색의 반사 방지 코팅은 빛의 파장이 600 나노미터에 최적화되어 있으며, 이 영역을 벗어난 500 나노미터 이하나 800 나노미터 이상 파장의 빛은 반사를 시켜 효율이 떨어지는데, 이는 태양을 이용한 전력 생산에서 최대 걸림돌이다. 이들 연구진이 개발한 모기눈 구조를 가진 태양전지는 이런 문제점을 제거한 매우 유망한 기술로 평가된다. 또한, 제작방법이 간단하고 비용이 저렴하다는 점에서 실제적인 상업화가 가능할 것으로 보인다. 첨부 그림 1: 확대된 모기눈 구조 첨부 그림 2: 모기눈 구조를 모방하여 만든 반사 방지 어레이 실리콘 웨이퍼
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