KSA의 교과목 중 하나인 전기화학에너지시스템이라는 수업에서는, 전기화학에 관련된 논문을 읽고 이해한 뒤 이를 발표하는 시간을 갖고 있다. 나 역시 논문을 읽고 준비하였는데, 이를 지식더하기로서 같이 공유하고 싶었다. 먼저 내가 준비한 논문은 “Hybrid silicon nanocone-polymer solar cells based on a transparent top electrode”라는 제목을 갖는 논문이다. 이 논문은 solar cell에서 더욱 효율을 높이기 위해서 자신이 고안한 nanocone을 적용하는 것을 주제로 한 논문이다.
Introduction
Solar cell은 차세대 신재생에너지의 주요 축 중 하나로 전 세계적으로 주목받고 있다. 이러한 solar cell의 효율을 더욱 상승시키는 것은 매우 중요하고 시급한 과제라고 할 수 있다. 이 논문에서는 Si/PEDOT:PSS hybrid device를 사용하고 있다. 이 장치는 낮은 생산 비용과 높은 효율성을 갖고 있다고 알려져 있기 때문이다.
이 실험에서 효율을 개선하기 위해 사용한 전략은 다음과 같다. 이 연구 전에, 일반적으로 사용하는 방법은 PEDOT:PSS를 planar(2D) Si substrate 위에 붙이는 것이었다. 그러나, 2D는 낮은 빛 흡수 계수와 짧은 대전입자 확산(short charge carrier diffusion)에 의해 더욱 효율을 높이는 데에 많은 제약이 따랐다. 그렇기에, one dimensional(1D) Si nanostructure(SiNC) array의 중요성이 매우 대두되었다. 이를 개발하는 것이 이 연구의 목적이다.
이 전략을 사용하게 되면 장치에 anti-reflection 효과와 scattering 효과를 도입할 수 있기 때문에 빛의 흡수 효율을 높일 수가 있는 것이다. 이를 위해서는 다른 것도 바꾸어야 하는데, 그것은 바로 metal grid이다. 이 metal grid를 사용하게 되면 우리가 목표하는 것에 방해가 될 수 있다는 것이다. 만약 metal grid가 좁게 퍼져 있으면, 광자에서 생성되는 전하를 모으는 효율성을 감소시킬 수 있다. 반대로 metal grid가 넓게 퍼져 있으면, 빛의 흡수가 약해질 수 있다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 이 연구에서는 top electrode를 투명한 물질을 사용하기로 하였다. 이를 통해 SiNC array/PEDOT:PSS hybrid solar cell에 입사광이 제대로 도달할 수 있게 하였다. 또한, 이 전극은 MoO3/Ag/ZnS 이렇게 세 층으로 쌓여 있다.
Experimental Section
실험 과정은 크게 두 개로 나눌 수 있다. 두 실험 각각 하나의 독립 변수를 갖고 종속 변수인 효율성을 측정하는데, 첫 번째 독립 변수는 etching time이고, 두 번째 독립 변수는 rate of spin-coating이다. 이는 뒤에 더욱 자세하게 후술한다.
먼저, SiNC array를 만들어야 한다. 이는 Si wafer를 아세톤과 증류수로 씻은 뒤, H2SO4와 H2O2를 7:3의 비율로 섞은 용액인 piranha solution에 이를 담근다. 그리고 다시 5분 동안 증류수와 HF 용액에 넣어둔다.
이렇게 넣은 Si wafer를 etchant solution에 넣는다. Etchant solution은 4.6M HF와 0.02M AgNO3를 섞은 용액으로, 이 용액에 담가두는 것을 etching technique이라고 하고, 이 담가둔 시간을 etching time이라고 한다. 이 etching 과정에서 nanocone이 생성된다.
이후, SiNC를 30% HNO3 용액에 넣고, 다시 증류수로 정리한다. 이후, 이를 nitrogen gas 하에서 말리는데, 이때 물과 산소의 농도는 0.1ppm 미만이어야 한다.
이후 반응은 이 질소 기체 하에서 일어나는데, 여기서 electrode를 생성하게 된다. SiNC/PEDOT:PSS 하에서, 알루미늄 전극을 추가하고, 이후 PEDOT:PSS 층의 품질과 전도성을 상승시키기 위해, 5%의 DMSO 용액과 0.1%의 FS-31 용액을 섞은 것을 PEDOT:PSS 용액과 섞는다. 이후 7nm의 MoO3, 17nm의 Ag, 7nm의 ZnS를 각각 넣어서 다음과 같은 전극을 만든다.
이후, 이를 SEM(scanning electron microscopy)를 통해서 분석을 한다.
Result and Discussion
[그림 3]에서, (a)는 대략적인 실제 모형, (b)는 태양 전지의 구성을 나타낸다. (c)는 논문에서 나오는 구조를, (d)는 논문 밖에서 현재 일반적으로 사용되고 있는 구조를 나타낸다. 여기에서, (c)는 직접적으로 전자가 이동하는 통로가 있으나, (d)는 전자 입장에서 여러 불편한 과정을 거쳐야 하기 때문에 논문에서 나온 것이 더 우수하다는 것을 알 수 있었다.
그리고 etching 과정을 거치지 않아서 Si가 planar한 상태인 것과, etching time이 각각 1, 3, 5, 7, 9분인 SiNC 총 6개를 그래프와 표로 비교해보았다.
결론적으로 etching time이 3분일 때 최대의 효율을 낼 수 있다는 것을 알 수 있었다. 3분일 때 solar cell efficiency(PCE)가 가장 높았기 때문이다.
이 그림을 보면, 그림 (a)부터 (e)까지는 etching time과 nanocone의 관련성을 보여준다. Etching time이 길수록, 더 긴 nanocone이 생성되는 것을 알 수 있다.
또한, spin-coating rate도 중요한 영향을 미치는데, spin-coating rate가 빠를수록 SiNC thick이 줄어드는 결과가 나온다. 1000 rpm에서는 SiNC 두께가 17nm였으나, 5000 rpm에서는 두께가 10nm, 7000 rpm에서는 두께가 6nm가 나오는 것을 알 수 있었다. Spin-coating rate가 빠르면 고분자 층을 더욱 탄탄하게 만들 수 있지만 SiNC 두께가 줄어드는 것 자체에서 감소하는 안정성 문제가 공존하고 있다,
이를 비교하기 위해서 etching time 3분을 기준으로 spin-coating rate 1000, 2000,..., 7000 rpm을 각각 측정하였다.
[그림 7]과 [그림 8]에 따르면, 3분 기준으로 spin-coating rate가 5000 rpm일 때 효과가 가장 좋다. 결론적으로 etching time은 3분, spin-coating rate는 5000 rpm일 때 가장 효율이 높다는 것을 얻을 수 있었다.
참고자료
[1] Hybrid silicon nanocone-polymer solar cells based on a transparent top electrode
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/IPCE
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/PEDOT:PSS
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell
첨부 이미지 출처
[1] 논문 안 사진
[2] http://www.futurelabs.co.in/?page_id=28
[3] 논문 안 사진
[4] 논문 안 사진
[5] 논문 안 사진
[6] 논문 안 사진
[7] 논문 안 사진
[8] 논문 안 사진
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작성자│이재욱
발행호│2020년 여름호
키워드│#전기화학
