발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 현재 상용화된 태양전지는 pn 접합의 광전 효과를 이용하며, 효율은 약 11% 수준입니다.

• 고순도 실리콘과 공정 기술 개발을 통해 효율을 향상시킬 수 있지만, 이는 제조 비용 증가로 이어지는 문제점이 있습니다.

• 최근 실리콘 수요 급증으로 인해 에너지당 제조 비용이 계속 증가하고 있습니다.

기술의 필요성

• 기존 태양전지의 비용 및 효율 한계를 극복할 수 있는 차세대 태양전지 기술에 대한 연구 개발 필요성이 높아지고 있습니다.

• 본 발명은 기존 1, 2차원 구조보다 에너지 전환 효율이 뛰어난 3차원 구조의 핫전자 에너지 소자를 개발하여 이러한 문제를 해결하고자 합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 나노튜브와 그 위에 증착된 금속 박막층으로 구성된 3차원 쇼트키 다이오드 구조입니다.

• 금속 박막층 표면에서 표면 플라즈몬 공명(SPR)에 의해 '핫전자'가 발생합니다.

• 생성된 핫전자가 쇼트키 에너지 장벽을 넘어 이동하면서 광에너지가 전기에너지로 변환됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 기판: n-type 실리콘 웨이퍼 등 다양한 재질의 기판을 사용합니다.

2. 나노튜브: 기판 위에 수직 방향으로 TiO2, ZnO 등의 나노튜브(직경 40~120nm)를 형성합니다.

3. 전극: 나노튜브와 연결되는 제1 전극과, 이와 분리된 제2 전극을 기판 위에 형성합니다.

4. 금속 박막층: Au(금), Ag(은), Pt(백금) 등의 박막층(두께 20~50nm)을 증착하여 나노튜브와 제2 전극을 연결합니다.

기술의 장점

• 3차원 나노튜브 구조로 인해 1, 2차원 구조 대비 활성 영역이 확대되어 더 많은 핫전자를 생성할 수 있습니다.

• 표면 플라즈몬 공명(SPR) 효과로 광흡수율이 높아져 에너지 전환 효율이 매우 우수합니다.

• 나노튜브 제조 시 인가 전압을 조절하는 간단한 방법으로 다이오드의 광학적 특성을 제어할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험의 목적은 제작된 3차원 쇼트키 다이오드에서 핫전자에 의한 전기적 에너지 생성을 확인하고, 금속 박막층의 종류(Au, Ag) 및 나노튜브 직경 차이에 따른 광전류 발생 특성을 비교 분석하는 것입니다.

실험 방법 및 과정

1. 결정질 n-type TiO2 나노튜브 제작: 티타늄(Ti)을 증착한 실리콘 웨이퍼를 30V와 50V 전압 조건에서 각각 양극산화하여 직경이 다른 비정질 나노튜브를 제작한 후, 450℃에서 열처리하여 결정화합니다.

2. 3차원 쇼트키 다이오드 제작: 제작된 TiO2 나노튜브 위에 전자빔 증착법으로 전극(Ti/Au)과 금속 박막층(Au 또는 Ag)을 순차적으로 형성합니다.

3. 광전류 측정: 완성된 다이오드 소자에 텅스텐-할로겐 램프를 조사하여 발생하는 광전류를 측정하고 각 소자의 성능을 비교합니다.

실험 결과

실험 결과, 금속 박막층의 종류와 나노튜브의 직경에 따라 광전류 특성이 뚜렷한 차이를 보였습니다. 특히 Au/TiO2 다이오드에서는 나노튜브 직경이 작을수록, Ag/TiO2 다이오드에서는 직경이 클수록 높은 광전류가 관찰되었습니다. 이는 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 효과가 소자의 성능에 미치는 영향을 입증합니다.

3차원 핫전자 에너지 소자 실험 결과 요약

주요 결과로, 30V에서 제작된 Au/TiO2 다이오드의 광전류가 50V에서 제작된 것보다 2.5배 높게 나타났습니다. 반면 Ag/TiO2 다이오드에서는 50V에서 제작된 소자의 광전류가 30V 소자보다 1.4배 높았습니다. 또한, 동일 조건에서 Au 기반 다이오드가 Ag 기반 다이오드보다 월등히 높은 광전류(최대 18배)를 생성하는 것을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고효율 차세대 태양전지 개발 및 상용화

• 높은 광-전기 변환 효율이 요구되는 다양한 에너지 하베스팅 장치에 적용

• 플라즈몬 기반의 고감도 센서 및 광검출기 플랫폼으로 활용

기대효과

• 기존 실리콘 태양전지의 효율 및 비용 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술 대안 제시

• 3차원 나노구조를 통한 고효율 에너지 변환 기술의 새로운 가능성 입증

• 비용 효율적인 차세대 에너지 소자 개발 및 관련 산업 생태계 활성화에 기여

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

'핫전자 에너지 소자'에 대한 직접적인 시장 데이터는 제한적이나, 관련 기술인 박막 태양전지 시장은 꾸준한 성장이 전망됩니다. NPT Solarbuzz는 박막 태양전지 공급이 2014년 5.3GW에서 2018년 약 3배 증가한 14.5GW에 이를 것으로 예측했습니다.

• 국제에너지기구(IEA)는 2050년에 태양광이 지구 전체 에너지의 50%를 담당할 것으로 예측하며 장기적인 성장 가능성을 시사했습니다.

• 아시아 시장이 글로벌 신규 시장의 60%를 차지하며 성장을 주도하고 있으며, BIPV(건물일체형태양광), VIPV(차량일체형태양광) 등 다양한 응용 분야로 시장이 확대될 전망입니다.

• 출처: 웨어러블 디바이스를 위한 태양전지 기술 및 시장 동향 (KISTI)

산업 동인 및 기회 요인

1. 고효율/저비용 기술 수요: 기존 태양전지의 한계를 극복하고 가격 경쟁력을 확보하기 위한 차세대 기술에 대한 요구가 시장의 주요 동인입니다.

2. 나노 및 플라즈몬 기술 발전: 나노구조와 플라즈모닉스를 이용한 광흡수 증진 및 전하 포획 극대화 연구는 차세대 태양전지 개발의 핵심 기회 요인으로 작용합니다. (출처: 한국물리학회 로드맵)

3. 에너지 전환 정책: 전 세계적인 탄소 중립 및 에너지 전환 정책은 태양광 산업의 지속적인 성장을 뒷받침하며, 혁신 기술에 대한 투자를 촉진합니다. (출처: 한국산업기술평가관리원 보고서)