KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2012-12-24
탄소 나노튜브(CNTs; Carbon Nanotubes) 및 실리콘으로 구성된 하이브리드 태양 전지는 CNTs의 뛰어난 광전기 특성 및 성숙한 실리콘 태양 전지 기술의 장점을 활용할 수 있는 새로운 종류의 태양광 분야라 할 수 있다. 실리콘 기판 위에 증착된 투명 CNTs 박막은 전하를 수집하는 전도성 전극 및 생성된 광전하를 분리할 수 있는 내장 전압(built-in voltage)을 형성하게 된다. 이러한 측면에서 이중벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브에 비해 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNTs; Single-Walled CNTs)가 적합하다고 할 수 있다. SWCNTs는 밴드갭 튜닝이 가능하고, 직접형 밴드갭 천이(direct bandgap trasition) 특성이 있고, 또한 전하 수송 능력이 더 뛰어나기 때문이다. 참고로 간접형 밴드갭의 경우 천이 과정에서 에너지 손실이 발생하게 된다.
미국 Yale University 소속 Andre D. Taylor 교수가 이끄는 연구진은 단일벽 탄소 나노튜브와 실리콘 사이의 접합을 이용해 고효율 태양전지를 개발하는데 성공했다. 연구 결과는 2012년 12월 13일자 Nano Letters지에 “Record High Efficiency Single Walled Carbon Nanotube Silicon p n Junction Solar Cells”란 제목으로 게재됐다.
연구진은 n 타입 실리콘 웨이퍼 위에 순수한 p 타입 단일벽 탄소 나노튜브를 증착하여, p-n 접합 형성을 위해 고온 프로세스 없이 태양전지를 개발했다. 전력 변환 효율은 11% 이상으로 관련 분야 최고 효율을 달성할 수 있었다. 온도에 따라 게이트 전압과 전류 밀도 사이의 관계를 살펴본 결과, 상온에서 소자의 이상계수(ideality factor) n은 1.05~1.15 수준의 값을 나타냈다. 기존 CNT/실리콘 태양 전지의 경우 1.4~3.8 수준의 높은 이상계수를 보였었다.
본 연구는 하이브리드 태양 전지 역시 단결정의 p-n 헤테로 접합과 유사한 방식으로 구동함을 보여준다. 연구진은 높은 전력변환효율을 보이는 CNT/Si 태양 전지를 개발하는데 성공했다. 온도에 따른 전기적 거동을 살펴봄으로써 확산 기반의 p-n 접합 수송 현상과 실리콘 내에 발생된 광전하가 크게 기여하고 있음을 알 수 있었다. 뛰어난 태양광 특성을 지닌 실리콘 자체를 간단한 저온 공정을 통해 태양 전지로 제작할 수 있었다. 복잡한 공정을 요구하지 않는 본 기술은 다양한 태양광 분야에 적용 가능할 것으로 전망된다.
그림 1. 탄소 나노튜브 및 실리콘 기판 경계면에서 발생하는 전하 거동에 관한 모식도.