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나노 구와 태양 전지
 현재 전세계는 에너지 고갈을 막기 위해 더 효율적이면서 더 싸고 더 안전한 태양 전지를 연구하고 있다. 오늘날 태양 전지는 세 가지 주요한 특징을 가진다. 제1세대 - 고효율, 고가: 제2세대 - 낮은 효율, 저가; 제3세대 ? 고효율, 저가. 대부분의 시장 활동들은 제3세대가 커다란 돌파구를 찾는 연구 단계에 여전히 남아있는 동안 제1 및 제2 세대에 집중되어 있는 것처럼 보인다.
결정질 실리콘은 고효율을 가지지만 생산하기에 비싸다는 단점을 가진다. 이 결정질 실리콘은 뜨거운 전자 손실들과 전자 밴드갭에 의해 정의된 열역학적인 Schockley?Quiesser 33% 제한에 의해 사용되는 능력을 가진 제1세대와 홀로 동떨어져 있다. 고가임에도 불구하고 결정 실리콘은 오늘날 실제 응용 제품들에서 채용되는 대다수의 전지들에 이용되고 있다.
시장 주도권을 차지하기 위한 경쟁하는 것과 더 낮은 비용으로 더 낮은 교환 효율을 허용하는 것은 비정질 실리콘, 카디뮴 텔루르(cadmium telluride), CIGS(copper indium gallium selenide), 나노 결정 타이타니아(nanocrystalline titania), 유기 분자들, 폴리머들과 같은 반도체 재료들을 이용하는 제2세대 박막 태양 전지들이다.
제3세대 태양 전지들은 요즘 활발히 연구가 진행되고 있고, Shockley-Quiesser 제한을 넘어설 수 있도록 디자인된 저가 및 고효율 태양 전지들을 만들기 위한 엔지니어링 접근과 재료과학, 광학 및 포토닉 (나노) 화학 재료, 전자를 통합하는 것을 고려할 수 있다. 제3세대 태양 전지들이 주목 받고 있음에도 불구하고, 목표 효율에 달성하기 위해서는 아직 멀었다.
제3세대 비용과 효율 목표를 달성하기 위하여 기대되는 현재 서로 다른 태양 전지의 구성들과 전략들은 플라즈몬과 광학 집중장치, 포토닉 크리스탈, 중간 반사기, 중간 밴드 상태들, 텍스쳐링(texturing), 업-다운 변환, 다중 여기, 다중 접합 탠뎀(tandem)을 포함한다. 제3세대는 비용절감을 유지하면서 동시에 태양 전지 성능을 향상시키는 창조적인 하향식 화학 방법들을 (나노) 재료들에 적용하고 있다.
현재 3세대 태양전지 연구는 나노미터에서 마이크미터까지 지름을 가지는 나노 구의 자기조립 단일 층 또는 다중 층을 이용하는 것이다. 이 나노 구들은 예를 들어 나노 구 리쏘그래피의 패터닝 기술을 이용한 텍스쳐링된 반도체 표면을 위한 템플릿으로 사용하는 등, 많은 목적들을 수용할 수 있을 것이다. 구 박막은 또한 다른 종류의 광학 및 포토닉 효과들을 이용하여 빛의 수확을 증가시키고 전자-홀 쌍들의 발생을 증진시키는데 이용되고 있다.
이 측면에서 주목할 만한 것은 그림1에서 보여준 태양 전지 구조를 이용하여 성능을 향상시키는 실리콘 탠뎀 태양 전지 내 중간 반사기로써 광학적으로 투명하고 전기적으로 전도성이 있는 아연 산화믈 역 콜로이드 박막의 이용이다. a-Si:H (Eg = 1.7 eV) 과 μc-Si:H (Eg = 1.1 eV) 접합들 사이 이 중간 반사기의 역할은 1.7 eV이상의 에너지를 가진 입사 광자들을 상부 a-Si:H 전지로 되돌려 보내는 것이다. 여기서 광자들은 흡수될 수 있는 두 번째 기회를 갖게 되고 열적 손실에 의해 1.1 eV 층으로 가는 것보다 더 많은 광자의 에너지가 유용해 질 것이다. 이 탠뎀 태양 전지의 작동을 최적화하기 위해 이 연구의 목표는 태양 전지의 상부와 하부 구성 요소들 내 같은 전류를 얻는 것이다. 앞에 기술한 중간 반사기는 상부 전지 내에서 발생된 전류를 증진하기 위해 디자인된 반면, 하부 μc-Si:H 전지로 더 작은 에너지의 광자들을 투과시키는 것이다.
성능을 증진하기 위해 또 다른 접근법은 염료 감응 태양 전지의 전극 상에 캡슐화된 플라즈몬 나노입자들을 가진 구들의 배치이다. 빛의 포획은 염료에 의해 빛의 흡수를 증폭하고 전자와 홀의 광발생을 향상시키는데 사용되는 다중 광 산란과 국보 전자기장 향상의 결합을 통해 발생한다.
실리카 구들로 만들어진 콜로이드 결정 박막은 실리콘 혹은 염료 감응 태양 전지 내에서 실리콘 혹은 나노결정 타이타니아 박막과 광학적으로 결합되는 후면 반사체로써 또한 이용되었다. 그림 2에서 보이는 실리카 콜로이드 결정 박막(오른쪽)과 유리 기판(왼쪽) 상이 삽입된 실리콘 박막 (중간)의 경우와 같이 이 전지 구조의 아이디어는 액티브 반도체에서 빛의 효과적인 광학 경로 길이를 증가시키는 것이다. 이는 가로로 반사되고 세로로 회절되는 모드들의 결합을 통해 발생한다. 이 모드들은 은 거울 혹은 공기를 실리카 콜로이드 결정 박막이 대신하는 경우에 비해 광전도성이 증폭되는 빛의 국부화와 반도체내 흡수 그리고 발생하는 전자-홀 쌍들 효율을 증진하도록 사용된다.
나노 구들로부터 조립되는 콜로이드 결정들은 또한 빛을 느리게 하거나 간단하게 반사하도록 빛을 조절하는 능력으로 태양전지에 사용되어왔다. 실리콘 역 콜로이드 결정들은 진성 및 외인성 n도핑되고 p도핑된 형태들 모두로 합성될 수 있다. 이 진성 역 실리콘 콜로이드 결정은 전지 성능 개선을 위한 시도로 i층에서 입사 빛 흡수의 느린 빛 증폭을 이용하기 위해 p-i-n 비결정질 실리콘 태양전지에서 i층으로 사용되어 왔다.
나노 구들은 또한 개별적으로 빛을 구속하는 능력이 또한 이용되어왔다. 염료 감응 태양 전지의 전극 상에 위치한 단일층 구 박막 내 구들과 관련된 위스퍼링 갤러리(whispering gallery) 모드들은 태양전지의 성능을 개선하기 위한 노력의 일환으로 입사 빛이 흡수하는 염료로의 결합이 증진하도록 사용되어 왔다.
그림1: 중간 반사기가 있는 실리콘 탠뎀 태양전지
그림2: 실리카 구들로 만들어진 콜로이드 결정 박막이 삽입된 태양 전지
출처 : http://www.materialsviews.com/details/news/1020557/Nanospheres_and_Solar_Cells__On_a_Roll....
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