실리콘 나노선(Nanowire)을 이용해 태양광을 전기로 변환하는 고효율 태양전지를 개발해 대체 에너지원 확보에 새로운 가능성을 열었다. 나노선은 수십에서 수백㎚(나노미터, 10억분의 1m) 굵기를 갖는 반도체물질로 이뤄진 머리카락 형태의 나노 구조체다. 고려대 박홍규 교수(교신저자)와 김선경 박사 연구팀은 미국 하버드대 찰스 리버 교수 연구팀과 공동으로 단결정 실리콘 나노선 태양전지를 개발했다. 연구 결과는 과학 전문지《미국국립과학원회보(PNAS)》에 1월 19일자로 게재됐다.

박홍규 고려대 교수 연구팀은 단결정 실리콘으로 이뤄진 나노선을 화학적 방법으로 대량 합성하는 데 성공하고, 이 나노선으로 태양전지를 제작해 높은 효율(6% 이상, 종전 나노선 태양전지에 비해 2배 이상 증가)을 갖는 나노 크기의 태양전지를 개발했다. 실리콘 태양전지는 차세대 에너지원으로 각광받는다. 그중 단결정 실리콘 태양전지는 결정성이 높아 물질 내 결함이 적어 비정질非晶質(원자 배열의 규칙성이 거의 없는 상태) 실리콘 태양전지에 비해 전기적 특성이 우수하다. 그러나 단결정 실리콘은 빛을 흡수하는 능력이 떨어지기에 모든 태양광을 흡수하려면 실리콘 밴드 두께가 수백 마이크로미터(㎛) 이상이어야 하므로 비경제적이다.
나노선을 활용한 태양전지는 화학 증기 증착법(CVD : Chemical Vapor Deposition)으로 나노선을 합성하므로, 다양한 물질을 손쉽게 제조할 수 있다. CVD는 기판 위에 촉매에 해당하는 금속 물질(주로 금)을 배열한 뒤, 고온의 튜브 내에 반도체 물질을 구성하는 기체를 주입하면 촉매 주위로 결정성을 가진 반도체 물질이 성장하는 방식이다. 그러나 결정성도 높고 매끄러운 단결정 실리콘 나노선 태양전지를 개발하는 것은 난제 중의 하나였다.
박홍규 교수와 찰스 리버 교수 연구팀은 처음으로 단결정 실리콘 나노선을 이용해 두께가 300㎚(기존보다 100배 이상 얇은)에 불과한 나노선 태양전지 개발에 성공했다. 나노선 태양전지는 실리콘의 결정면을 따라 정육각형 단면을 유지하며 표면도 매끄럽다. 연구팀이 합성한 단결정 실리콘 나노선은 현재까지 개발한 나노선 태양전지 중 우수한 전기적 특성을 나타내 산업체에서 개발하는 박막형 태양전지와 동등한 수준이다.
연구팀이 개발한 단결정 실리콘 나노선 태양전지는 나노선 고유의 특성(공명 : Resonance)을 이용해 태양광의 수집 효율을 2배 이상 끌어올렸다. 공명은 빛이 특정 모양을 가진 구조체 내에 입사됐을 때, 그 구조체 내에서 빛이 진행 또는 반사하며 특정 파장을 가진 빛이 증폭되는 현상이다. 지금까지 단결정 실리콘의 낮은 흡수율은 효율 저하의 원인으로 지적받았다. 그러나 이번에 합성한 실리콘 나노선은 빛의 파장보다 작은 크기의 구조체로, 기존 평면 구조와 다른 특성을 나타낸다. 실리콘 나노선은 특정 파장에서 입사되는 빛을 표면에서 반사하지 않고 대부분 흡수한다. 이러한 공명 현상으로 실리콘 나노선 태양전지는 같은 두께의 박막형 실리콘 태양전지에 비해 2배 이상 전류 밀도가 높다. 또한, 실리콘 나노선은 특정 파장에서 입사한 태양광을 반사 없이 나노선 내부로 모두 흡수한다는 사실을 실험과 계산으로 입증했다.
박홍규 교수는"하버드대 연구팀과 공동 연구를 통해 경제적이면서 효율도 높은 태양전지를 대량생산하게 돼 향후 태양전지 산업에 다각적으로 활용할 수 있을 것으로 기대한다"라고 연구 의의를 밝혔다.