발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 n-p형 다이오드 기반 반도체 태양전지는 고효율화를 위해 고순도 정제 소재와 고가의 공정 장비가 필요하여 제조 비용이 높은 한계가 있습니다.

• 염료감응형, 유기, 무기양자점 기반 태양전지 등 대안 기술들이 개발되고 있으나, 효율, 비용, 안정성 측면에서 기존 반도체 태양전지를 대체하기에는 아직 어려움이 있습니다.

기술의 필요성

• 화석 에너지 고갈과 환경 문제 해결을 위해 태양에너지와 같은 재생 가능한 청정 대체 에너지원에 대한 필요성이 증대되고 있습니다.

• 기존 태양전지의 한계를 극복하고 대규모 활용을 위해, 저비용의 간단한 공정으로 생산 가능하며, 장기간 안정적으로 사용 가능한 새로운 구조의 에너지 소자 개발이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

본 발명은 금속-절연체(무기층)-금속 구조를 기반으로, 외부 에너지에 의해 제1금속층에서 생성된 '핫 전자(hot electron)'를 활용하여 전기 에너지를 생성하는 원리입니다.

• 핫 전자 생성 및 증폭: 제1금속층(예: 금, 은)에 태양광과 같은 외부 에너지가 가해지면 핫 전자가 생성됩니다. 이때 제1금속층의 나노구조에 의해 발생하는 표면 플라즈몬 공명(SPR) 현상이 핫 전자 생성을 증폭시키는 역할을 합니다.

• 핫 전자 터널링: 증폭된 핫 전자는 두 금속층 사이의 얇은 무기층(절연층, 예: TiO2)을 양자 터널링 효과를 통해 통과합니다. 이 무기층은 두 금속층의 물리적 접촉을 막으면서 전자가 이동할 수 있는 장벽 역할을 합니다.

• 핫 전자 수집: 무기층을 터널링한 핫 전자는 제1금속층보다 일함수가 낮은 제2금속층(예: 티타늄)으로 이동하여 수집됩니다. 이 전자의 흐름이 곧 전류가 되어 외부 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.

구체적인 구현 방법

1. 기판 준비: 절연성 기판(예: SiO2 웨이퍼, 유연성 기판) 위에 제1전극과 제2전극을 증착 또는 인쇄 방식으로 형성합니다.

2. 제2금속층 형성: 제2전극의 일부를 덮도록 제2금속층(예: Ti, 10-80nm 두께)을 진공 증착 등의 방법으로 형성합니다.

3. 무기층 형성: 제2금속층 상부에 터널링 장벽 역할을 할 무기층(예: TiO2, 1-10nm 두께)을 원자층 증착(ALD) 등의 정밀한 방법으로 형성합니다.

4. 제1금속층 형성: 무기층 위와 제1전극을 연결하도록 제1금속층(예: Au, 1-10nm 두께)을 형성합니다.

5. 나노구조 형성 (선택): 표면 플라즈몬 공명 효과를 극대화하기 위해, 제1금속층 증착 후 열처리(예: 120-200℃)를 통해 다공망 형태의 나노구조를 형성합니다.

기술의 장점

• 우수한 에너지 변환 효율: 표면 플라즈몬 공명을 통해 핫 전자를 증폭시켜 별도의 광감응 부재 없이도 높은 에너지 변환 효율을 달성합니다.

• 간단한 구조 및 저비용 공정: 금속-절연체-금속의 극히 단순한 구조로, 고가의 반도체 공정 없이 저가 원료 및 간단한 증착 공정만으로 제조가 가능하여 상업성이 높습니다.

• 장기적 안정성 및 유연성: 무기물 기반으로 안정성이 뛰어나며, 초박형 구조로 제작되어 플렉시블 소자로의 적용이 용이합니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 제안된 금속-산화물-금속 구조의 에너지 소자를 실제로 제작하고, 제1금속층의 나노구조 형성(다공망화)과 무기층의 두께가 소자의 광전류 특성 및 에너지 변환 효율(IPCE)에 미치는 영향을 정량적으로 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 소자 제작: SiO2 기판 위에 Au 전극, Ti(제2금속층, 50nm), TiO2(무기층, 6nm 또는 10nm), Au(제1금속층, 10nm)를 순차적으로 증착하여 에너지 소자를 제작했습니다.

2. 열처리: 제작된 소자의 제1금속층을 다공망 구조로 변화시키기 위해 공기 중에서 80℃, 120℃, 160℃, 200℃, 240℃의 온도로 각각 60분간 열처리를 수행했습니다.

3. 특성 측정: 텅스텐-할로겐 램프(9 mW/cm²)를 광원으로 사용하여 각 소자의 전류-전압(I-V) 곡선, 광전류, 그리고 입사광 광자 대 전류 변환 효율(IPCE)을 측정했습니다.

실험 결과

제1금속층의 다공망화에 따른 광전류 증폭 효과: 아래 차트에서 볼 수 있듯이, 제1금속층에 대한 열처리 온도가 높아짐에 따라 다공망 구조가 형성되었으며, 특히 200℃에서 열처리한 경우 나노 크기의 금속 섬들에 의한 국부 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 효과가 극대화되어, 열처리를 하지 않은 소자 대비 매우 높은 광전류 증폭이 관찰되었습니다.

무기층 두께와 IPCE 관계: 제1금속층의 구조와 무관하게, 터널링 장벽 역할을 하는 무기층(TiO2)의 두께가 10nm에서 6nm로 감소함에 따라 광전류가 현저하게 증가했습니다. 아래 IPCE 측정 결과에서 볼 수 있듯이, 무기층 두께가 6nm일 때 모든 파장 영역에서 약 0.5% 더 높은 IPCE 값을 보여 핫 전자 터널링 효율이 향상되었음을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 차세대 태양광 발전: 기존 실리콘 태양전지를 보완하거나 대체하는 고효율, 저비용 태양전지로 활용될 수 있습니다.

• 플렉시블 및 웨어러블 기기 전원: 초박형, 유연성 특성을 활용하여 건물의 외벽이나 창문에 적용하는 건물 일체형 태양광(BIPV), 의류나 휴대용 기기에 부착하는 전력원으로 활용 가능합니다.

• IoT 센서 및 저전력 소자 전원: 별도의 배터리 교체 없이 주변광을 이용해 자가발전이 필요한 다양한 IoT 센서 및 저전력 전자기기의 독립 전원으로 응용될 수 있습니다.

기대효과

• 경제적 효과: 고가의 소재 및 복잡한 공정을 단순화하여 태양전지 제조 비용을 획기적으로 절감하고, 균등화 발전단가(LCOE)를 낮춰 태양광 발전의 경제성을 높일 수 있습니다.

• 산업적 파급 효과: '유비쿼터스 태양광' 시대를 열어 웨어러블, IoT, 스마트 빌딩 등 다양한 산업 분야와의 융합을 통해 새로운 시장을 창출할 수 있습니다.

• 기술적 효과: 기존 태양전지의 이론적 효율 한계(쇼클리-콰이저 한계)를 극복할 수 있는 핫 캐리어 기반 기술의 상용화 가능성을 제시하며, 차세대 에너지 소자 분야의 원천 기술을 확보할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

재생 에너지에 대한 전 세계적인 관심 증가에 따라 태양광 산업은 지속적으로 성장하고 있습니다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년에 태양광이 지구 전체 에너지의 50%를 담당할 것으로 예상했습니다(출처). 본 기술과 관련이 깊은 박막 태양전지 시장 또한 NPT Solarbuzz에 따르면 2014년 5.3GW에서 2018년 14.5GW로 약 3배 성장할 것으로 전망되는 등 높은 성장 잠재력을 가지고 있습니다(출처).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

현재 상용화된 제품은 없으나, 본 기술은 기존 실리콘 태양전지의 한계를 극복하기 위해 연구되는 다양한 차세대 태양전지 기술들과 경쟁 및 협력 관계에 있습니다. 각 기술은 고유의 특징과 장점을 바탕으로 특정 응용 분야에서 경쟁 우위를 가질 것으로 예상됩니다.

차세대 태양전지 기술 비교표

산업 동인 및 기회 요인

1. 신재생에너지로의 전환 가속: 화석 연료 고갈과 기후 변화 대응을 위한 각국 정부의 강력한 정책 지원은 혁신적인 태양광 기술 개발 및 도입을 촉진하는 핵심 동인입니다(출처).

2. 웨어러블 및 IoT 시장의 폭발적 성장: 유연하고 가벼운 특성을 지닌 본 기술은 2018년 약 190억 달러 규모로 예측된 웨어러블 디바이스 시장과 급성장하는 IoT 시장에 필수적인 독립 전원 솔루션을 제공하는 큰 기회 요인을 가집니다(출처).

3. 기술 혁신에 대한 요구 증대: 기존 태양광 기술의 가격 경쟁력 한계와 효율 정체를 극복하기 위한 새로운 패러다임의 원천 기술 개발이 요구되고 있으며, 본 기술은 이러한 시장의 요구에 부응하는 잠재력을 가지고 있습니다(출처).