우리얘기

미래의 대체 에너지원으로 각광을 받고 있는 실리콘 태양전지는 재료비 대비 고효율 소자 제작이 현재의 가장 큰 관심사이다.
이를 위한 주요 과제들로 고품위의 물질 구현을 통한 전기적 특성 향상 및 광 수집 효율 증대 방안 등을 들 수 있다.
  Bottom-up 방식의 실리콘 나노선 태양전지는 일반적인 식각 과정이 불필요하므로 재료를 근본적으로 절감할 수 있으며, 합성 과정 중에 물질의 치환이 용이해 다양한 기능의 소자를 구현할 수 있다.
하지만 지금까지의 실리콘 나노선 연구는 고품위 실리콘 재현의 어려움으로 인해 고효율 태양전지 소자 실현이 사실상 불가능하였다.
  본 연구에서는 화학적 증기 증착(CVD) 방식을 통해 육각기둥 형태의 고품위 단결정 실리콘 나노선을 성장하고, 성장 과정 중에 내부 코어, 중간 껍질, 외곽 껍질 층에 각기 다른 dopant를 적용한 p-i-n형의 단일 나노선 태양전지 구현에 성공하였다.

본 연구에서 개발된 실리콘 나노선의 물질 특성을 조사하기 위해 투과전자현미경을 이용한 나노선 단면 촬영 및 격자 구조 분석을 실시하였으며, 이를 통해 성장된 나노선이 고품위의 단결정 실리콘 재질로 구성되어 있음을 확인하였다.
또한, 성분 분석 장치를 통해 나노선 내부의 코어 및 각 껍질 층이 성장 과정 중에 의도했던 dopant로 채워져 있음을 증명하였다.
  실리콘 나노선은 외곽 껍질의 일부분을 식각하여 코어 부분을 드러내고, 코어가 드러나지 않은 외곽 껍질과 내부 코어 각각에 n형 및 p형 전극을 올리게 되면 태양전지 소자로서 작동하게 된다.
제작된 단결정 실리콘 나노선 태양전지 소자의 I-V 특성 측정 결과 0.5 V의 개방전압 및 1 fA 이하의 누설 전류 특성을 기록하였다. 이는 현재까지 보고된 나노선 태양전지 소자 중에서 최고의 값이며, 범위를 산업에서 개발하고 있는 박막형 실리콘 태양전지로 확장하더라도 동등한 수준에 근접한 것이다.
  단결정 실리콘은 낮은 물질 흡수로 인해 본질적으로 전류 밀도가 작다는 단점이 있다. 하지만 본 연구의 실리콘 나노선은 크기가 약 300 nm에 불과함에도 그 자체로 미세 공진기로서 작동할 수 있으며, 공진기 내에 존재하는 공진 모드와 입사하는 태양광 사이의 강한 상호 작용을 통해 높은 광 수집 효율을 기대할 수 있다.
본 연구에서는 스펙트럼 분석 및 전자기 계산을 통해 나노선 내부에 존재하는 공진 모드의 존재를 입증하였으며, 실제로 실리콘 나노선은 같은 두께의 박막형 구조에 비해 약 2배 이상 증가한 전류 밀도를 기록하였다.     
  본 연구에서는 실리콘 나노선 소자의 추가적인 전류 밀도 향상을 위해 나노선을 수직 방향으로 두 층까지 쌓는 것에 성공하였으며, 이를 통해 약 25 mA/cm2의 전류 밀도를 기록할 수 있었다.
전자기 계산에 의하면 동일 방식을 통해 1 μm 두께까지 나노선을 적재하였을 때 약 13%의 효율이 예상되며, 이는 현재 개발되고 있는 박막형 태양 전지 소자의 수준을 훨씬 뛰어넘는 것이다.
  실리콘 나노선을 이용한 태양전지 개발은 CVD 방식을 통해 개별 나노선을 이루는 물질을 자유롭게 조작할 수 있다는 장점과 더불어 빛의 파장보다 작은 크기의 공진기가 가지고 있는 고유한 공진 모드 특성으로 인해 향후에도 활발한 연구가 이어질 전망이다.

 일반적으로 굴절률이 높은 물질은 빛의 세기가 센 쪽으로 힘을 받는다.
이를 이용하여 빛으로 물질을 제어하는 광집게 기술이 개발되면서 유체 속에서 떠다니는 세포, 박테리아의 제어 등 바이오 실험에 혁신이 일어났다.
하지만 기존 광집게 기술의 경우에는 렌즈를 통해 빛을 집속하기 때문에 회절 한계에 의해 파장보다 작은 크기로 빛을 집속할 수 없다.
이 때문에 포획하고자 하는 물질의 크기가 파장보다 작은 나노물질이 되면 제어하는 데에 한계가 있다. 특히, DNA와 같은 작은 크기의 바이오 물질은 손상 없이 제어하기가 어려워 마이크로 입자에 붙여서 간접적으로 실험을 수행해 왔다.
이를 해결하기 위해 최근 표면 플라즈몬을 이용한 나노 광집게가 개발되었다. 표면 플라즈몬을 이용하면 빛의 파장보다 작은 나노미터 수준의 공간에 빛을 집속하고 또한 증폭할 수 있기 때문에, 약한 세기의 빛을 증폭하여 나노물질을 포획할 수가 있게 된다.
하지만 지금까지 개발된 나노 광집게는 굴절률이 물보다 작은 물질은 포획할 수 없다는 한계가 있었다.

본 연구팀은 표면 플라즈몬이 도넛 모양으로 생성되는 독특한 나노 안테나를 설계 및 제작하였다.
이 나노 안테나는 구조 주변에 빛이 강하게 증폭되기 때문에 굴절률이 큰 물질은 안테나 주변에 포획하고, 굴절률이 작은 물질은 안테나 중심부에 포획할 수 있다.
기존의 나노 안테나가 굴절률이 작은 물질은 포획할 수 없다는 단점을 혁신적으로 극복한 것이다.
 본 연구팀은 광포획 실험을 위해 물에서 흡수가 적은 근적외선 영역인 980nm 레이저 빛을 사용하였고, 이 레이저 파장에 표면 플라즈몬 공명이 있는 나노 안테나를 금을 이용하여 제작하였다.
이 때 제작된 나노 안테나의 장축 길이는 500nm이다.
우선, 제작된 나노 안테나를 이용하여 물속에 떠다니는 지름이 300nm인 폴리스티렌 나노 구슬의 포획에 성공하였다. 폴리스티렌의 경우 굴절률이 물 보다 크기 때문에 나노 안테나 주변에 포획되는 것을 관찰하였다.
그 다음, 오일 속에 떠다니는 지름이 300nm인 실리카 나노 구슬의 포획에도 성공하였다. 이 때, 실리카의 굴절률은 오일보다 작아 기존 나노 안테나의 경우 척력(밀어내는 힘)을 받기 때문에 포획될 수 없었던 것과는 달리, 본 연구에서 제작된 나노 안테나에서는 안테나 중심부에 포획되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 실험 결과는 3차원 시뮬레이션을 통해서도 그대로 재현되었다.
 실험에서 나노 물질을 제어하기 위해 사용된 레이저의 파워는 수백 마이크로 와트 수준으로, 기존 광집게에 비해서 수 백 분의 일 정도밖에 되지 않는다.
또한 나노 안테나가 직접 빛을 모아주는 나노렌즈의 역할을 하기 때문에 외부에 특별한 광학 장치가 필요 없다.
 따라서 광-바이오 유체 칩에 바로 결합할 수가 있어, 실험실 수준에서 진행되는 나노-바이오 물질 제어의 실험이 칩 수준에서 높은 효율로 구현될 수 있다.