도파모드 공진을 이용한 태양전지의 흡수효율 향상

Abstract

태양전지 설계에 있어 가장 중요시되는 목표는 흡수 효율의 향상과 더불어 제작 비용을 낮추는 것이다. 그러나 비용 절감을 위해 흡수 층(absorbing layer)의 두께를 줄이면 광자(photon)의 이동경로가 짧아져 광자가 구조 내부에서 흡수되기 충분한 시간 동안 머무를 수 없게 되고, 이는 곧 흡수 효율의 감소를 초래하게 된다. 이렇듯 흡수율과 제작 비용은 서로 교환-상충관계(trade-off)에 있기 때문에 이 문제를 해결하기 위해서는 상호간의 적절한 균형을 맞추거나 아니면 새로운 개념이 필요하게 된다. 본 논문에서는 도파모드 공진(GMR: Guided-mode resonance)을 이용한 태양전지 구조가 흡수율과 제작비용이 서로 상충되는 문제점을 해결하는 한가지 대안이 될 수 있음을 보이려고 한다. 도파모드 공진 현상은 입사 파(incident wave)가 흡수 층 내부의 도파모드(guided-mode)에 결합(coupling)되어 유전체를 따라 진행하는 경우 발생하기 때문에 얇은 흡수 층을 사용하더라도 충분한 광자의 이동거리를 확보할 수 있게 해준다. 때문에 기존 태양전지 구조에서 사용되던 2~3㎛ 수준의 흡수 층 두께를 100nm 이하로 줄이는 것이 가능하다. 이 같은 원리에 기반해 본 논문에서는 금속 반사경(reflector) 위에 유전체 격자가 있는 구조와 금속 전극에 격자가 있는 구조를 제안하고, 구조의 변수들이 흡수율의 변화에 어떠한 영향을 미치는지 분석하였다. 또한 실제 태양전지로의 제작을 위해 필수적인 금속 전극을 사용한 구조에 대해서도 동일한 과정을 수행하였으며, 두 구조에서 각각 최적의 구조를 찾고 이를 상호 비교하였다. 전산모사(simulation) 툴로는 유한 시간 차분(FDTD: Finite-difference Time-domain)법으로 구성된 CST-MWS를 사용하였으며, 측정된 투과, 반사 계수로부터 흡수 효율을 측정하였다. 반사경 역할을 하는 금속 물질로는 은(silver)을, 유전체 흡수 층 물질로는 poly-Si을 사용하였다. 유전체의 손실 유무에 따른 흡수율을 따로 측정함으로써 유전체 손실이 없을 경우 금속 반사경이 표면 플라즈몬(surface plasmon)을 여기(excitation)하지만, 유전체 손실이 있을 경우엔 그렇지 않음을 확인할 수 있었다. 유전체로 흡수되는 빛의 양만을 측정하기 위해 전체 구조의 흡수에서 금속의 표면 플라즈몬에 의한 흡수를 제한 값을 유효한 흡수율로 판단하고 이를 바탕으로 최적화를 진행한 결과, 유전체 격자구조에서 63.5%, 금속전극 격자구조에서 61.7%의 유효 흡수율을 얻을 수 있었다. 금속이 구조에 미치는 영향을 다소 과장하여 해석했음을 고려한다면, 실제 제작 시에는 이보다 높은 흡수율을 기대할 수 있을 것으로 보인다.