▒ 간단한 화학처리로 값비싼 태양전지 무반사 코팅 공정을 대체

간단한 화학처리로 값비싼 태양전지 무반사 코팅 공정을 대체할 수 있어 결정질 실리콘(Crystalline Silicon) 전지판 제조비용 저감이 기대된다. 미국 국립 재생가능에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)가 개발한 이 화학처리 방법은 집적 회로가 조립되어 있는 얇은 실리콘 원판인 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafers)를 화학용액 용기에 담그어 고도의 무반사 층을 형성시키는 단일 공정이며 비용은 와트당 몇 센트 정도라고 밝혔다. NREL 연구팀은 이러한 공정을 활용하여 시장에서 일반적으로 사용하는 실리콘 전지 효율성과 유사한 성능의 블랙 실리콘 전지를 제조하였다.

Solar goes black: These two solar cells were fabricated on a silicon wafer treated to create an antireflective black silicon surface. The silvery areas around the cells are a different color because the highly absorbent black layer has been etched away. Credit: Hao-Chih Yuan

일반 결정질 실리콘 웨이퍼는 고진공 공정을 이용하여 결면구조(Textured Surface)를 생성한 후 질화실리콘을 사용한 무반사 층을 코팅시켜 오늘날 사용하는 태양 전지를 만든다. 태양전지 활성층 내부에 광자의 반사 횟수가 커질수록 전지내의 전기흐름이 이탈하게 될 기회가 많기 때문에 무반사 층을 추가하면 태양전지의 효율이 개선된다. 그러나 무반사 층을 코팅하면 비용은 상승된다. NREL의 수석 과학자인 Howard Branz는 블랙 실리콘을 활용하면 이러한 경제성 구조를 개선 할 수 있다고 말한다. 일반적으로 무반사 코팅을 한 최상급 실리콘 계열 태양 전지라도 태양광의 약 3%를 반사한다. 이에 Branz 연구팀은 거의 반사가 없는 블랙 실리콘을 제조할 수 있는 저렴한 공정을 개발 중이다.

NREL에서 제작한 프로토타입 태양전지는 지금까지 보고된 블랙 실리콘 전지 중 가장 효율이 우수하다.

추가적인 무반사 코팅 작업 없이 표면을 검은색으로 코팅한 단결정 실리콘 전지는 태양광 전기 전환율이 16.8% 이며 이 효율은 무반사 물질로 코팅한 전형적인 결정질 실리콘 태양전지와 유사한 결과이다. 블랙 실리콘 전지의 기존 전환율은 13.9%였다.

실리콘 웨이퍼의 표면을 처리할때 사용되는 진공 증착 공정(Vacuum-deposition Process)을 대체하기 위해 Branz 연구팀은 태양 전지판 제조공장의 온도 및 압력 조건하에서 현지 장비를 사용하여 수행할 수 있는 화학 공정을 개발하였다. 우선 과산화수소, 플루오르화 수소산(Hydrofluoric Acid), 염화금산(Chloroauric Acid) 용액이 든 용기안에 웨이퍼를 침수시킨다. 이때 용기안에 있는 소량의 금은 화학반응을 위한 촉매 역활을 한다. 정확하게 어떤 화학반응이 일어나는지 알 수 없으나 금 나노입자를 형성하도록 하여 웨이퍼에 다양한 깊이를 가진 나노구멍(Nanoholes)을 만든다. 이 공정에서 사용된 금은 다시 재활용 할 수 있다. 에칭 공정은 상온에서 3분 정도 필요하며 40도에서는 1분 이하가 소요된다. 이러한 공정을 거치면 표면위에 다양한 깊이의 작은 터널들이 형성되면서 블랙 실리콘 웨이퍼는 고도의 흡수성을 지니게 된다. 기공들은 빛을 반사할 정도로 날카롭지 않은 표면을 형성하며 터널의 길이는 어떤 파장의 빛과 상호 작용할 것인지 결정하기 때문에 다양한 터널 길이가 관건이다. 터널 길이의 다양한 변화로 광범위한 빛 스펙트럼을 포획할 수 있다.

NREL 이외에 다른 연구팀도 태양전지와 광학기기용 블랙 실리콘을 개발하고 있다. 그들은 실리콘 터널 반응을 만들기 위해 금속 입자들을 웨이퍼 표면에 위치시킨 다음 산을 투입하는 다단계 공정을 사용한다. SiOnyx사는 실리콘 표면에 작은 콘을 생성하기 위해 펄스 레이저(laser pulses)을 사용한다. SiOnyx사의 블랙 실리콘 제조 방법은 NREL과 다르지만 성능은 유사하다. NREL 연구팀은 진공 과정이 필요하지 않는 단일 액상 공정을 사용하며 에칭 과정에서 태양 전지를 세척하기 위해 공장에서 사용하는 용액용기로 블랙 실리콘 코팅을 수행할 수 있어 매우 경제적이라고 밝혔다. 연구팀은 이 공정 기술에 대해 특허출원을 신청하였다.

URL: http://www.technologyreview.com/energy/24968/page1/

<출처> NDSL, 2010-04-05

Posted by TopARA

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