3차원 구조를 가지는 태양전지 개발 

전 세계적인 산업발전에 힘입어 인류의 삶의 질은 점점 윤택해지고 발전해왔지만, 화석연료의 고갈은 인류에게 잠정적인 불안요소로 작용하고 있다. 따라서 대체에너지에 대한 관심과 연구개발은 선진국을 중심으로 발전하여왔다. 대체에너지 중에서도 최근 태양광을 이용한 광발전 시스템이 급성장하고 있다. 2006년 광발전 시스템의 생산전력은 1,744MW로 2005년에 비해 15%의 성장을 기록했다. 이런 태양광 시장의 성장에 힘입어 미국에서는 캘리포니아, 샌디에이고, 콜로라도 주 등에서 대형 태양광 발전시스템 설치가 올해부터 진행된다(GTB2007030937). 급성장하는 태양전지 시장에서 선두적인 역할을 할 수 있을 것으로 보이는 새로운 개념의 태양전지가 개발되어 전문가들의 관심을 끌고 있다. 기존의 평판 형태의 태양전지의 개념을 깨고 조지아 공대 연구원(GTRI: Georgia Tech Research Institute)의 주드 레드(Jud Ready)는 3차원 형상을 가지는 태양전지를 개발하였다. 새로 개발된 태양전지의 특징은 기존의 평판 태양전지가 태양빛이 전지판과 수직으로 입사할 때 최대 효율을 보이고 다른 각도에서 입사될 때는 반사에 의한 에너지 변화 효율이 낮다는 단점을 극복할 수 있다는 점이다. 즉, 3차원 마이크로 타워의 배열로 이루어진 새로운 태양전지는 3차원적으로 입사되는 모든 방향의 태양빛을 흡수하여 전기에너지로 변환시킬 수 있다. 따라서 작은 부피와 질량으로도 높은 에너지 변환 효율을 가질 수 있다는 장점이 있다(모든 방향에서 입사되는 빛을 흡수할 수 있는 점은 기존의 두꺼운 광전지 코팅의 두께을 줄일 수 있는데 이는 광에너지에 의해 생성된 전자의 이동 경로를 줄여 에너지 변환 효율을 높이는 작용을 한다.). 조지아 공대 연구원에서 개발된 3차원 태양전지의 구조를 살펴보면, 가로 세로 40㎛의 크기를 가지고 높이가 100㎛인 탄소 나노튜브 마이크로 타워가 10㎛ 간격으로 배열된 형태를 가진다. 이런 구조로 인해 전방향에서 입사된 광자를 광결정(photonic crystal)처럼 포획함으로써 광자의 흡수율을 획기적으로 높일 수 있을 뿐만 아니라 기존의 태양전지에서 필요로 했던 조향장치 등이 필요 없어 기계적으로 간단할 뿐만 아니라 안정성도 높일 수 있다. 마이크로 타워는 실리콘 웨이퍼를 포토리소그라피 기법을 이용하여 철로 코팅하고 780도에서 베이킹 퍼니스에 넣고 탄화수소 가스를 공급하여 탄소와 수소를 분리시켜 철 패턴 위에 다중 벽을 가진 탄소나노튜브가 자라게 함으로써 형성된다. 마이크로 타워가 생성되면 분자 빔 에피탁시(molecular beam epitaxy) 기법을 이용하여 카드뮴 텔러라이드(CdTe)와 카드뮴 설파이드(CdS)를 코팅하여 p타입과 n타입 광전지 층을 만든다. 그리고 그 위를 투명전극으로 사용되는 ITO(Indium Tin Oxide)층을 다시 코팅하여 태양전지를 완성한다. 현재 실험용으로 성공한 3차원 태양전지에 대해 조지아 공대 연구원은 마이크로 타워 형상의 최적화와 카드뮴 물질보다 효율을 높일 수 있는 물질을 찾음으로써 태양전지로 입사하는 모든 광자를 흡수하는 전지의 개발과 우주공간에서도 사용할 수 있기 위해 발사과정에서 손상이 없으면서 대량화할 수 있는 방법을 목표로 하고 있다. 현재 아틀란타의 지적재산조합원(Intellectual Property Partners)이 3차원 태양전지의 설계의 권리를 가지고 있으며 상용화할 수 있는 기술을 가진 협력 업체를 찾고 있다. 3차원 태양전지는 우주산업뿐만 아니라 육상사용에도 사용될 수 있다. 오하이오 주에 소재하는 뉴사이트(NewCyte)는 이미 조지아 공대 원구원과 3차원 태양전지의 육상 사용에 대한 협력을 하고 있다. 뉴사이트사는 저가로 플러렌(fullerenes)에 반도체 층을 부착하는 기술에 대한 특허를 가지고 있다. 뉴사이트사는 조지아 공대 연구원에서 개발된 기술에 자신들의 기술을 접목함으로써 성능과 제작 단가 수준을 현재 사용되고 있는 육상 태양전지와 경쟁할 수 있도록 만드는 것이다. 한편, 이러한 3차원 구조를 가진 나노구조물질의 대량 제조기술이 이미 국내에서는 2005년 12월 개발된 것으로 발표되었다(참조 URL2 : Digital Times, 2005-12-12). KAIST 원자력 및 양자공학과 조성오 교수 연구팀은 실리콘이 함유된 폴리머인(PDMS) 필름에 전자빔을 쪼여주면 PDMS가 `검은 유리`라고 불리는 `silicon oxycarbide` 물질로 바뀌면서 `나노나무(nanotree)`나 `나노숲(nano-forest)`이 필름 위에 대량으로 합성되는 기술을 개발했다고 발표한 바 있다. 이 나노나무 구조는 3차원 계층 구조를 갖고 있어 나노입자나 나노막대보다 훨씬 더 복잡한 기능을 수행할 수 있어 다양한 나노구조를 만들 수 있다는 이점이 있는 만큼, 태양전지, 나노광학소자, 센서, 바이오 및 의료분야 등 광범위한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 이 이미 연구결과는 나노재료 분야의 권위있는 학술지인 `어드밴스 메터리얼(Advance Materials)`지 온라인판에 게재되었다. 결국, 조지아 공대 연구원에서 개발된 3차원 구조의 태양전지에 대해 국내 대량제조기술을 접목할 경우 현재 급성장하는 태양전지 시장에서 산업적으로 파급효과가 클 것으로 기대된다.

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2007-04-18에서 인용