가장 성능이 좋은 태양 전지는 전체 태양 스팩트럼으로부터 빛을 흡수할 수 있을 만큼 충분히 두꺼워야 하지만, 저렴한 태양 전지는 그렇지 못하다. 따라서 좀 더 얇고 저렴하면서도 효율적인 태양 전지가 필요하다. 이러한 두 가지를 만족시키기 위하여, 연구진은 그 두께가 10나노미터에 불과하면서도, 전체 태양 스팩트럼으로부터 빛을 흡수 할 수 있는 태양 전지를 설계했다. 이 새로운 설계의 접근 방법은 저렴하고도 향상된 태양 전지를 이끌 수 있으며, 1980년대에 제안된 열역학적 광 구속 한계(light-trapping limit)를 극복할 수 있을 것이다.
파사디나에 있는 캘리포니아 공과 대학의 Dennis Callahan와 Jeremy Munday 그리고 Harry Atwater는 기존의 한계를 넘어선 그들의 새로운 광 구속 도구를 Nano Letters 최근호에 발표하였다. 그들의 연구는 균질의 대형 반도체 판에 의해서 얼마만큼의 광 파장 범위가 흡수되는지에 대한 열역학 한계를 제안한 1982년도의 연구에 대한 것이다. 이 한계는 전체 태양 스팩트럼으로부터 빛을 흡수하기 위해서는 최소한의 두께가 요구된다는 것이다. 그 결과, 오늘날의 반도체 태양 전지는 가능한 많은 태양광을 흡수하기 위하여 두껍게 설계되었으며, 이것은 비싸기도 하고 제작하기도 복잡했다.
광 구속 한계(선 광학 한계 또는 에르고드 광 구속 한계라고도 불림)에 관한 이전의 분석에 의하면 일부 광학 전지는 실제로 파의 상호 작용을 활용함으로써 이러한 한계를 넘어선다고 보여준다. 연구진이 일부 선택적 경우에서 어떻게 이러한 일들이 일어나는지에 대한 이론적 설명이 있다 하더라도, 광범위하고 보편적인 광 구속의 경우에 해당하는 일반적인 설명은 아직 없다. 칼텍의 연구진은 반도체의 광학 상태에서의 밀도 증가에 따른 광 구속 한계를 극복하는 아이디어를 제안했다.
이들 각각의 상태는 특정 파장의 빛을 흡수할 수 있기 때문에, 더 많은 밀도는 물질이 흡수할 수 있는 빛의 양을 증가시킨다는 것이다. “이제는 예전의 빛 구속 한계를 넘어설 가능성이 있는 태양 전지에 관하여 어떻게 고민하고 설계할 지가 분명해졌다”라고 Callahan이 말했다. “중요한 것은 광학 상태의 밀도를 증가시키고 그 준위들을 채워나가는 것이다. 광통신 분야나 양자 광학 분야에서 이미 광학 상태를 증가시키는 많은 방법들이 연구되었다.
그래서 태양광 분야의 연구자는 이미 연구된 집적물을 우리의 연구의 도움을 받아 태양 전지 연구에 적당하게 이용하면 된다. 또한 어떤 이가 특별한 형태의 태양 전지에 관하여 연구를 한다면 이제는 그 연구가 예전의 빛 구속 한계를 넘을 지 말지도 명확하게 알 수 있다.”라고 그는 말했다.
이 연구자들은 덩치 반도체 물질의 흡수층의 국부적 광학 상태 밀도(local density of optical states, LDOS)를 초과하는 국부적 광학 상태 밀도를 가진 반도체는 빛 구속 한계를 넘어선다는 것을 시현해 보였다. 그들은 또한10에서 100나노 미터 두께의 반도체에서도 99.9%의 태양광 스팩트럼을 흡수하기 위하여 흡수층의 국부적 광학 상태 밀도를 증가가 가능하다는 것을 보였다. 오늘날 보통의 상업용 소자는 마이크로 미터 두께를 가지고 있다. “우리의 연구결과는 적당한 전자기 공학적 처리을 통하여 약 10나노 두께까지 가능하다는 것을 보여주고 있다. 이것은 결국 원하지않는 기생적 손실이 없이 어떻게 설계를 잘할 수 있느냐의 문제이다. 어려운 일이지만 우리가 현재 해결하려고 하고 있는 문제이다. 현재 10나노 두께의 태양 전지는 다층 구조, 표면 재결합, 양자 효과등에 대한 필요때문에 비실용적으로 보이나 가능성의 영역에 있는 것 또한 사실이다.”라고 Callahan이 말했다.
흡수층의 LDOS를 증가시키는데 중요한 제한 요소는 “상태의 총합 법칙”이다. 이는 상태의 한 구간을 증가시키면 다른 구간의 상태 밀도의 감소를 가져온다는 법칙이다. 이 연구자들이 설명한 바와 같이 LDOS의 보존 현상은 파장의 재점검(spectral reweighting)이라고 불리는 과정을 통하여 자연적으로 일어나지만 인공적인 공학적 처리로 LDOS보존을 유리하게 이용할 수도 있다. 비록 이 법칙이 태양 전지의 상위 경계를 설정하지만 응용의 입장에서 태양전지의 흡수의 제한을 만들지는 않는다고 그들은 말한다.
왜냐하면 태양 파장의 이외의 LDOS는 감소하더라고 태양 파장에 맞는 LDOS의 증가를 이루면 되기때문이다. 이와 같은 이유로 다른 물리적 실응용적 한계, 예를 들면 포화 그리고 제조 한계가 LDOS의 증가 한계 이전에 만나게 될 한계가 될 것이다. 이 연구자들은 태양 전지 흡수층의 설계가 일반적인 빛 구속 한계를 뛰어 넘기 위해서 근본적인 설계 제안, 즉 덩치 물질의 LDOS보다 높아야 한다는 것도 맞출 수 있다는 것을 보여주었다. 플라즈모닉 물질, 유전체 도파관, 광 결정체와 같은 것을 포함하는 설계도 있었다. “우리는 현재 실용적 태양 전지 설계에서 도달할 수 있는 최대의 광학 상태 밀도에 도달할 방법을 찾고 있다. 이와 같은 일은 실리콘과 같은 고 굴절률 물질에서는 쉽지 않은 일이다. 그러나 현재 우리가 생각하고 있는 방법은 매우 전망있어 보인다.”라고 Callahan이 말했다.
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