빛으로 가공하는 반도체, 태양전지 효율 상승의 무궁무진한 미래

빛으로 가공하는 반도체, 태양전지 효율 상승의 무궁무진한 미래

 

대학생신재생에너지기자단 19기 정지영

 

[태양전지, 뭐가 중요해?]

태양전지의 구조는 다음과 같다.

[자료 1. 태양전지의 구조]

출처: keyence

잘 알려졌다시피, 태양전지의 성능은 빛 흡수와 양공, 전자 이동에 좌우된다. 따라서 각 반도체를 어떤 재료와 방식으로 제작하는지가 효율을 결정하는 관건이다.

기존 반도체는 열 가공, 이온 주입, 플라즈마 등의 방식으로 진행된다.
플라즈마 반도체 공정은 이온화된 기체들이 화학반응을 할 수 있도록 극적으로 높은 온도를 만들어주어야 한다. 이온주입 공정은 웨이퍼에 고르게 열을 전달하지 못하는 경우가 발생할 수 있는데, 이때 온도차로 인해 웨이퍼가 뒤틀리거나 단층이 생길 수 있다는 단점이 있다.

[이차원 박막 반도체란?]

반도체의 효율성을 올릴 수 있는 가장 큰 방법인 소형화를 위한 연구가 계속해서 이루어지고 있는데, 이때 관건이 반도체 핵심 소자인 실리콘의 크기를 줄이기 어렵다는 점이었다. 실리콘을 대체하기 위해 개발된 것이 바로 이차원 반도체 소자이다. 이차원 반도체 소자는 그 두께가 원자 하나에 불과한 배우 얇은 소재이다.
이차원 반도체 소자를 형성하기 위해서 현재 주로 사용하는 것이 바로 “박리법”이다. 흑연에서 그래핀을 만들어내는 방법인데, 스카치테이프 방법으로도 알려져 있다.

[자료 2. 기계적 박리법]

출처 : 네이버 블로그

하지만 두께가 매우 얇은 만큼 작은 충격에도 심한 손상을 입을 수 있다는 단점이 있으며, 앞서 말했던 기존 반도체 8대 공정법을 사용한다면 웨이퍼 위에 회로를 만드는 과정에서 원하는 위치에 형성하기 어렵다.

[광 땜질을 통한 가공 공정 개발]

이러한 단점을 극복할 수 있는 방법이 바로 이차원 박막 반도체를 광 땜질하는 공정이다.
인듐 나노입자는 레이저 빛에 의해 녹는다. 이 빛은 반도체에는 영향을 주지 않아서 인듐 나노입자가 녹으면 납땜질이 가능하다. 인듐 나노입자가 녹으면서 반도체 물질을 끌어당겨 함께 붙을 수 있다. 붙는 과정에서 반도체 표면이 패이며 패턴이 형성된다(패터닝). 반도체에는 영향을 주지 않는 빛이 인듐을 녹이므로 반도체에 손상 없이 패터닝 할 수 있으며, 이 과정에서 밴드 갭이 달라짐으로써 물질의 특성이 부분적으로 변한다. 레이저 빛을 얼마나 쏘이는지, 인듐 입자를 어떤 위치에서 납땜질하는지에 따라서 특성이 매우 달라지는 것이다.

[자료 3. 이차원 반도체 빛 땜질 과정]

출처: Hello T

빛과 상호작용할 수 있으므로 광전소자로 활용할 수 있다. 효율 높은 태양전지는 빛 흡수 및 광전류를 향상하는 것이 관건이다. 이를 위해서는 정공 전달 층에 균일하게 패터닝하고, 이에 맞추어 전극 물질을 균일하게 증착하는 기술이 필요하다. 이 과정에서 많은 경제적, 시간적 비용이 요구되는데, 이번에 개발된 광 땜질 가공법은 그 공정이 최소화되어 효율성이 상승하였다는 점으로 보아 태양전지 제작에 좋은 길이 되어줄 것으로 보인다.

이는 기존 양자점을 활용한 페로브스카이트 태양전지의 활용 범위와도 중첩된다. 두 반도체가 접합되어있는 형태의 태양전지는 전하 이동 문제를 해결하는 점이 주요 문제였다. 이 점은 얇아서 유연성이 뛰어난 이차원 박막 특징으로 충당될 수 있고, 원하는 대로 정교하게 패터닝할 수 있어 반도체 간 빠른 전자/정공 이동이 가능하다.
정밀한 가공과 초박막 특성 유지를 통해 고감도 태양전지 개발에 박차를 계속하길 기대한다.

 

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차세대 태양전지에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "유리야, 태양전지야? 투명 태양전지의 등장", 19기 정지영, 20기 서범석, https://renewableenergyfollowers.org/3649

2. "태양전지의 블루칩, 페로브스카이트", 18기 서현영, 19기 김아현, 서명근, https://renewableenergyfollowers.org/3288

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참고문헌

[이차원 박막 반도체란?]

1) 해피그랜마, 네이버 블로그, "반도체 패터닝의 모든 것, SOH & SOD ", 2022.10.21 , https://blog.naver.com/eyagee/222906053507

 

[광 땜질을 통한 가공 공정 개발]

1) DGIST, 디지스트 연구, "차세대 태양전지의 효율 향상, '빛 흡수 능력'에서 해답을 찾다!", 2022.5.11, https://blog.naver.com/dgist_korea/22272859529
2) 김진희, Hello T, "종이보다 얇은 지차원 반도체를 빛으로 땜질 가공하는 기술 개발", 2022.10.22, https://www.hellot.net/mobile/article.html?no=72261
3) 정종오 기자, 아이뉴스 24, "[지금은 과학] 얇은 이차원 반도체, 광땜질로 차세대 반도체 기술 개발", 2022.10.21,  https://www.inews24.com/view/1530732
4) 해럴드경제, "차세대 초박막 이차원 반도체... '광땜질'로 손상없이 가공한다", 2022.10.21,  http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20221021000461