국내 연구진이 포함된 국제 공동연구팀이 저순도 실리콘의 자발적 정제원리를 규명해 냈다. 자발적 정제로 순도를 100배 이상 높일 수 있어 기판형 태양전지에 필수적인 실리콘 정제공정을 생략하여 생산비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.
한양대 화학공학과 이정호 교수 연구팀과 독일 프라운호퍼 연구소장 랄프 베어스폰 교수가 함께 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 재료과학분야 학술지 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials) 5월 2일자 온라인판에 게재되었다.
태양전지에 사용되는 기판형 태양전지의 경우 9N( ~99.9999999%의 9가 9개인 순도, 7N(9가 7개)보다 약 100배 정제된 수준)이상의 초고순도의 실리콘 소모량이 많아 원가절감에 한계가 있었다.
실리콘 정제를 위해서는 저순도 실리콘을 고순도 실란가스로 바꾼 뒤 석출(析出) 등 여러 화학반응을 반복하는 대규모 공정과 설비가 필요했다.
연구팀은 기판형의 실리콘을 나노와이어(nanowire) 형태로 바꿔줄 때 실리콘의 순도가 99.999772%에서 99.999899%로 100배 가까이 향상되는 자발적 정제현상이 일어남을 알아냈다.
기판형 대신 와이어형 실리콘을 태양전지에 적용하는 경우 실리콘 소모량이 적을 뿐 아니라 자발적 정제가 가능하므로 고순도 실리콘 대신 저순도 실리콘을 이용할 수 있다는 설명이다.
이러한 자발적 정제는 저가의 은 용액을 이용하고, 실온에서도 구현이 가능하다는 것이 장점이다.
은 나노입자가 실리콘 표면에 달라붙게 한 후 입자가 부착된 부위만을 선택적으로 녹여내는 간단한 나노공정으로 실리콘이 기판에 수직으로 자라난 나노와이어 구조를 만들 수 있다.
이렇게 만들어진 실리콘 나노와이어 속의 불순물은 기판형 구조보다 외부용액과의 접촉확률이 높아 실리콘 밖으로 먼저 빠져 나오면서 자발적 정제가 이뤄지는 것이다.
이 교수는 “고순도 실리콘 소모가 많은 현재 기판형 태양전지를 나노와이어형으로 바꿀 경우 현재보다 훨씬 적은양의 저순도 실리콘으로 비슷한 태양전지 성능을 구현할 수 있는 이론적 토대를 마련한 것”이라고 밝혔다.
한편 이 교수는 이렇게 정제된 실리콘 나노와이어를 활용한 태양전지의 핵심난제인 상부전극 형성을 개선하는 신공정을 개발하여 신재생에너지 분야 학술지 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science) 3월 28일자에 게재한 바 있다.
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