기호 및 약어 설명

V_oc : 개방 전압(Open-circuit voltage)의 기호[V]

J_sc : 단락 전류 밀도(Short-circuit current density)의 기호[mA/cm²]

FF : 충전율(Fill factor)의 기호

PCE : 전력 변환 효율(Power conversion efficiency)의 약어[%]

n : 굴절률(Refractive index)의 기호

R : 반사율(Reflectance)의 기호

UWPV : 수중 태양광(Underwater Photovoltaic)의 약어

Ga₂O₃ : 산화 갈륨(Gallium Oxide)의 약어

그리스 기호 설명

τ : 유효 수명(Effective lifetime)의 기호[ms]

1. 서 론

실리콘(Si) 태양전지는 원료의 풍부함, 공정 기술의 성숙도, 그리고 높은 신뢰성을 바탕으로 현재 광전소자 시장의 대다수를 점유하고 있다^1,2). 그러나 이러한 산업적 우위에도 불구하고, 실제 실리콘 태양전지의 효율은 Shockley-Queisser limit에 기초한 이론적 최대치에 도달하지 못하고 있으며³⁾, 이는 근본적으로 광학적 반사 손실과 열적 손실(thermalization loss)로 인한 성능 저하에 기인한다^4,5). 특히 실리콘 기판과 외부 매질 간의 굴절률 불일치는 계면 반사를 유발하여 광 흡수 효율을 저하시키는 주요 원인이 된다⁶⁾. 이와 동시에, 광전 변환 과정에서 발생하는 열적 손실은 소자의 온도를 상승시켜 개방 전압(V_oc)을 감소시키고, 결과적으로 소자의 장기적인 안정성을 저해하는 요인으로 작용한다^7,8). 기존에는 이러한 광학적 손실을 억제하기 위해 질화규소(SiN_x) 기반의 반사 방지 코팅(Anti-Reflection Coating, ARC) 기술이 널리 활용되어 왔다⁹⁾. 그러나 SiN_x ARC 공정은 증착 두께와 균일도를 정밀하게 제어해야 하므로 공정 복잡도가 높고, 이는 결과적으로 제조 원가를 상승시키는 산업적 한계점을 지닌다¹⁰⁾. 이러한 제약을 해결할 대안으로 제시된 수중 태양광(Underwater Photovoltaic, UWPV) 기술은 별도의 코팅 공정 없이도, 물 매질이 공기와 실리콘 사이의 중간 단계 굴절률을 형성하여 자연적인 반사 방지 효과를 제공한다^11,12,13,14). 또한, 물의 높은 열전도성을 활용한 자발적인 수냉 효과(water-cooling)는 구동 중 소자의 온도 상승을 억제하여 열적 손실을 효과적으로 방지할 수 있는 이점을 제공한다^15,16). 하지만 기존 실리콘 태양전지는 대기 중 구동을 전제로 최적화된 설계 구조를 가지기 때문에, 수중 환경에서는 보호층 없이 실리콘 표면이 물과 직접 접촉할 경우 화학적 부식 및 전하 재결합을 가속화하는 계면 불안정성 문제가 수반된다^17,18,19). 이를 해결하기 위한 기존의 보호층 소재 중 SiO₂(n ≈ 1.45)는 물과 실리콘 사이의 굴절률 차이를 완화하기에 굴절률이 낮다는 광학적 한계가 있으며, Al₂O₃는 우수한 패시베이션 특성에도 불구하고 주로 원자층 증착(ALD) 공정에 의존하여 증착 속도가 느리고 대면적 공정 측면에서 제약이 따른다. 또 상용 태양전지에 널리 쓰이는 SiN_x (n ≈ 1.9 – 2.1)는 우수한 광학적 정합도를 가지나 수중 환경에서의 기능적 확장성이 제한적이다. 반면 본 연구에서 도입한 Ga₂O₃ (n ≈ 1.8 – 1.9)는 Sputtering 공정을 통한 대면적 고속 증착이 용이하며, 약 4.8 eV의 광대역 밴드갭(wide Bandgap)을 바탕으로 자외선(UV)에 의한 소자의 광 열화를 효과적으로 방지한다^20,21), 이와 동시에 Ga₂O₃는 이미 보고된 바와 같이 우수한 광학적 투과 특성과 화학적 안정성을 갖추고 있어, 수중 환경에서 실리콘 소자의 광학적 성능 개선과 계면 안정화를 동시에 달성할 수 있는 다기능 보호층으로 활용될 가능성을 제시한다^22,23,24,25).

본 연구의 타당성을 검증하기 위해 먼저 PC1D 시뮬레이션을 수행하여 물–Ga₂O₃–Si 구조에서의 반사 저감 효과와 전기적 특성 변화를 예측하였다^26,27). 이를 기반으로 RF Magnetron Sputtering 공정을 이용하여 보호층 두께를 체계적으로 제어하였으며, 실험적으로 도출된 박막의 두께 변화가 수중 광전 변환 효율에 미치는 상관관계를 규명하였다²⁸⁾.

2. 실험 방법

2.1 소자 제작

본 실험에서는 상용 p-type 단결정 실리콘(Si) 태양전지를 기판으로 사용하였다. 박막 증착에 앞서 기판 표면의 오염을 제거하기 위해 아세톤, 메탄올, 증류수 순으로 10분씩 초음파 세척을 실시하였으며, 이후 질소(N₂) 가스로 건조하였다.

Ga₂O₃ 보호층은 Physical Vapor Deposition (PVD) 방식의 RF Magnetron Sputtering System을 이용하여 증착하였다. 스퍼터링 챔버의 기본 압력은 약 4.0 × 10^–6 Torr로 유지하였으며, 공정 중에는 고순도 Ar 가스(50 sccm)를 주입하여 5 mTorr의 작업 압력을 형성하였다. Ga₂O₃ 타겟(iTASCO, purity 99.99%)을 사용하여 실온에서 75 W의 RF 전력과 기판 회전 속도 5 rpm 조건으로 진행하였다. 해당 조건에서 증착된 박막의 증착률(Deposition rate)는 약 1.33 nm/min이었으며, 증착 시간 조절을 통해 Ga₂O₃ 보호층의 두께를 제어하였다. 제작된 소자의 수중 구동 개념도와 실제 측정 셋업의 모습은 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1

(a) Schematic illustration of the silicon solar cell submerged in water, highlighting the device architecture for underwater operation. (b) Digital photograph of the experimental setup used for the electrical characterization of the fabricated solar cells

2.2 분석 방법

Ga₂O₃ 박막의 전기적 수송 특성을 분석하기 위해 Hall effect measurement를 수행하였다. Hall 측정은 Hall effect measurement system (HMS-5300, Ecopia)을 이용하여 상온에서 진행하였다. 측정 시료는 FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) 기판 위에 증착된 Ga₂O₃ 박막을 사용하였으며, 이를 통해 캐리어 농도(carrier concentration), 비저항(resistivity), 전도도(conductivity), 그리고 이동도(mobility)를 평가하였다. 실제 소자 구조에서 형성된 두께와 단면 구조를 확인하기 위해 실리콘 태양전지(Si solar cell)위에 증착된 Ga₂O₃ 박막을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)을 통해 관찰하였다. 또한, 보호층의 결정 구조를 확인하기 위해 투과전자현미경(TEM) 기반의 회절 패턴(diffraction pattern)을 분석하여 박막의 비정질(amorphous) 상태를 평가하였다. Ga₂O₃ 도입에 따른 광학적 특성 변화는 UV–Vis–NIR 분광 광도계(UV–2600, Shimadzu)를 사용하여 300 ~ 1100 nm 파장 영역에서의 반사도(reflectance) 스펙트럼으로 측정하였다. 기준선(baseline) 보정은 공기 중 상태에서 수행하였으며, 수중 반사도 측정은 석영 재질의 수조(quartz glass box)를 이용하여 동일한 조건에서 진행하였다. 소자의 전기적 특성 및 광전 변환 효율은 공기 및 증류수(Deionized water, DI water) 매질의 수중 환경에서 암조건(dark)과 광조사 조건(illuminated)하에서 각각 수행하였으며, Solar simulator (K201 LAB160, McScience, AM 1.5G)와 potentiostat–galvanostat을 연동하여 I-V 및 I-t 특성을 분석하였다.

3. 결과 및 토의

본 연구에서는 공정 효율성을 극대화하기 위해 복잡한 표면 텍스쳐링(texturing)이나 다층 반사 방지 구조 대신, 수중 환경의 굴절률 정합 효과와 Ga₂O₃ 보호층의 계면 패시베이션(passivation) 효과를 결합한 단순 소자 구조를 설계하였다. 실제 소자 제작에 앞서, 제안된 구조의 물리적 타당성을 사전에 검증하기 위해 PC1D 기반의 수치 해석을 수행하였다²⁶⁾.

Table 1은 대기 중에서 구동한 실리콘 태양전지(Air/Si), 보호층 없이 물 매질에서 구동한 실리콘 태양전지(Water/Si), 그리고 수중 환경에서 Ga₂O₃ 보호층이 적용된 실리콘 태양전지(Water/Ga₂O₃/Si) 구조의 광전 변환 특성을 비교한 시뮬레이션 결과이다. 본 연구의 시뮬레이션은 초기 단계에서 실측된 Air/Water 조건별 Si의 전면 반사율 데이터를 기반으로 모델의 입력 파라미터를 설정하여 수행되었다. 대조군인 Air/Si와 Water/Si 조건에서는 수중 환경 자체에 대한 광학적 효과를 평가하기 위해 물–실리콘 계면의 굴절률 차이를 반영한 전면 반사율을 적용하였으며, 실리콘 계면의 전기적 파라미터는 Air/Si 조건과 동일하게 유지하였다. 한편 Water/Ga₂O₃/Si 조건에서는 물–Ga₂O₃–실리콘으로 이어지는 순차적 굴절률 정합 구조(step-index matching)를 반영하고, 계면의 잠재적 패시베이션 효과를 평가하기 위해 기존 문헌을 참조하여 표면 재결합 속도(Surface Recombination Velocity, SRV)를 6.1 cm/s, 유효 수명(effective lifetime)을 2.1 ms로 설정하여 모델링하였다²⁵⁾. 해당 파라미터는 고성능 ALD 기반 Al₂O₃ ARC에서 보고된 특성을 참고하여 설정하였다. 이는 제안된 Ga₂O₃ 보호층이 도달할 수 있는 이상적인 성능 상한을 예측하고, 실험 결과와의 비교를 위한 표준 모델로 활용되었다.

이러한 조건을 기반으로 시뮬레이션한 결과, 수중 환경에서는 물(n ≈ 1.33)과 Ga₂O₃(n ≈ 1.8 – 1.9)가 형성하는 단계적 굴절률 정합 구조에 의해 전면 반사 손실이 감소하였으며²⁷⁾, 이에 따라 J_sc가 대기 조건 대비 증가하는 경향을 보였다. 동시에 계면 패시베이션 효과에 의해 실리콘 표면의 계면 재결합이 억제되는 조건을 가정함에 따라 V_oc 역시 향상되는 것으로 나타났다²⁹⁾. 이는 굴절률 정합과 계면 특성 개선이 동시에 작용할 경우 성능 향상이 가능함을 시사한다.

이러한 이론적 예측을 실험적으로 구현하기 위해서는 기판의 물리적 손상을 최소화하는 박막 증착 공정의 정밀한 제어가 요구된다. 특히 스퍼터링 기반 PVD 공정에서 발생하는 플라즈마 및 고에너지 입자 충돌에 의한 기판의 플라즈마 손상(plasma-induced damage)이 발생할 수 있으며, 이는 실리콘 계면의 트랩 밀도를 증가시켜 성능 저하로 이어지는 주요 요인으로 알려져 있다²⁸⁾. 따라서 최적의 증착 조건을 도출하고자, RF 전력 변화에 따른 Ga₂O₃ 보호층의 전기적 특성을 Hall effect measurement를 통해 분석하였으며^30,31), 그 결과를 Table 2에 요약하였다. 해당 데이터는 Ga₂O₃ 보호층 증착 시 기판의 물리적 손상을 최소화하면서도 양질의 박막을 확보할 수 있는 공정 최적화의 참고 자료로 활용되었다.

측정 결과, 100 W 이하의 저전력 영역에서 Ga₂O₃ 박막의 비저항과 전도도가 급격한 변화 없이 안정적으로 유지됨을 확인하였다. 이는 해당 전력 범위 내에서 고에너지 입자 충돌에 의한 박막 내부의 결함 형성 및 플라즈마 손상이 효과적으로 억제되었음을 시사한다³²⁾. 특히, 이러한 저전력 영역 중에서도 RF 전력이 75 W일 때 박막의 이동도가 46 cm²/V·s로 최대치를 기록하였으며, 이는 전하 수송 측면에서 가장 우수한 박막 품질이 형성되었음을 의미한다. 결과적으로 75 W 조건은 보호층 증착 시 실리콘 기판과의 계면 열화(interfacial degradation)를 최소화하면서도 최적의 전기적 특성을 확보할 수 있는 공정 조건임을 보여준다³⁰⁾. 앞선 분석을 통해 도출된 공정 최적화 결과가 실제 보호층의 물리적 형성 상태와 계면에 미치는 영향을 시각적으로 확인하기 위해 구조 분석을 수행하였다.

Fig. 2(a)는 최적 조건에서 증착된 박막의 단면 SEM 이미지로, 약 20 nm 두께의 보호층이 실리콘 표면 전반에 걸쳐 매우 균일하게 형성되어 있음을 보여준다. Fig. 2(b)는 박막의 미세 구조 및 결정성을 평가하기 위해 분석한 전자 회절 패턴을 나타낸다. 분석 결과, 특정 결정면에서 나타나는 뚜렷한 회절점(diffraction spot) 없이 중심부를 둘러싼 확산된 헤일로 링(halo ring) 형태가 관찰되었으며, 이는 증착된 보호층이 비정질 구조로 형성되었음을 시사한다³³⁾. 이러한 비정질 구조는 결정립계(grain boundary)가 존재하지 않는 연속적인 박막 형성을 가능하게 하여, 수중 구동 시 외부 이온이나 수분의 침투 경로를 억제하는 데 기여할 수 있는 물리적 장벽 역할을 수행할 것으로 기대된다^23,25). 또한, 이러한 구조적 특성은 실리콘 표면의 결함을 균일하게 패시베이션함으로써 계면에서의 캐리어 재결합 손실을 억제하는데 긍정적 영향을 미칠 수 있으며, 결과적으로 소자의 화학적 안정성과 효율 향상을 보조하는 요인으로 작용할 수 있음을 시사한다³⁴⁾.

Fig. 2

(a) Cross-sectional SEM image of the Ga₂O₃ protective layer deposited on a silicon substrate with an optimized thickness of 20 nm. (b) Electron diffraction pattern demonstrating the amorphous structure of the sputtered Ga₂O₃ thin film

Fig. 3(a)는 공기, 물, Ga₂O₃ 및 Si 사이의 굴절률 관계를 모식적으로 나타낸 것이다. 정상 입사 조건에서 두 매질 경계면에서의 반사율 R은 Fresnel 관계식에 의해 다음과 같이 표현된다^7,10).

여기서 n₁과 n₂는 계면을 형성하는 인접한 두 매질의 굴절률로, n₁은 입사광이 지나는 매질을, n₂는 빛이 굴절되어 진입하는 투과 매질을 나타낸다. 공기(n ≈ 1.0)와 실리콘(n ≈ 3.5) 사이에는 큰 굴절률 차이가 존재하여 계면 반사가 크게 발생한다. 반면, 수중 환경에서는 물(n ≈ 1.33)이 중간 매질로 작용하여 광학적 불연속성을 완화하고 반사율을 감소시키는 역할을 수행한다³⁵⁾.

이러한 Fresnel 반사를 최소화하기 위한 단층 ARC 이론에 따르면, 이상적인 중간층의 굴절률은 다음과 같이 표현된다⁶⁾.

공기–실리콘 계면에서의 이상적인 굴절률은 약 1.84로 계산되며, 이는 Ga₂O₃ (n ≈ 1.8 – 1.9)의 굴절률과 매우 유사하다³⁶⁾. 따라서 Ga₂O₃는 이론적으로 반사 저감에 효과적인 매질로 작용할 수 있음을 시사한다. 특히 수중 조건에서는 물–Ga₂O₃–Si로 이어지는 단계적 굴절률 정합 구조가 형성되어 입사광의 전면 반사 손실을 추가적으로 감소시킬 수 있다³⁷⁾.

이러한 광학적 메커니즘은 Fig. 3(b)의 반사도 스펙트럼 결과와 일관된 경향을 보인다. Bare Si는 특히 공기 중에서 높은 반사 특성을 나타내는 반면, 수중 조건에서는 물 매질의 존재로 인해 전반적인 반사도가 감소하였다. Ga₂O₃ 보호층이 적용된 시편에서는 이러한 반사 저감 효과가 더욱 뚜렷하게 나타났으며, 특히 자외선(UV) 영역에서 Bare Si 대비 반사도가 효과적으로 억제되는 경향이 관찰되었다³⁸⁾. 이는 기존 SiN_x ARC가 주로 가시광 영역의 반사 저감에 집중된 것과 달리, Ga₂O₃는 약 4.8 eV의 광대역 밴드갭을 가지는 산화물로서 자외선 영역의 고에너지 광자를 선택적으로 흡수하여 계면으로의 직접적인 노출을 차단하는 효과를 병행하기 때문이다^38,39). 결과적으로 Ga₂O₃ 보호층은 자외선에 의한 소자의 열화를 방지하는 동시에, 태양전지의 주요 발전 영역인 가시광 파장대에서는 우수한 광 투과성을 유지함으로써 광흡수를 보존하는 다기능(Multifunctional)을 수행한다³⁶⁾.

Fig. 3(c)는 Bare Si 태양전지와 Ga₂O₃ 보호층이 적용된 소자의 전류–전압(I–V) 특성을 공기 및 수중 환경에서 암조건(dark)과 AM 1.5G 광조사 조건 하에 비교한 결과이다. 암조건 분석 결과, 모든 소자가 안정적인 정류 특성을 유지했으며 Ga₂O₃ 보호층 도입으로 인한 역방향 누설 전류의 유의미한 증가는 나타나지 않았다³⁴⁾. 이는 앞서 Hall effect measurement에서 확인된 75 W 저전력 RF 스퍼터링 공정이 실리콘 기판의 물리적 특성이나 pn 접합부를 손상시키지 않았음을 시각적으로 증명한다^28,32,34).

광조사 조건 하에서는 수중 환경에서 Ga₂O₃ 적용한 소자가 가장 우수한 J_sc와 V_oc를 기록했다⁴⁰⁾. 전류의 증가는 물과 Ga₂O₃가 형성하는 단계적 굴절률 정합 구조에 의해 전면 반사 손실이 감소한 결과로 해석된다¹¹⁾. 특히 공기 중 조건 대비 수중 조건에서 전류 증가폭이 더 크게 나타난 점은, 물 매체가 광학적 정합을 보조하는 역할을 수행함을 보여준다⁴¹⁾. 이러한 J_sc의 향상은 앞서 Fig. 3(b)에서 확인된 파장별 반사도 저감 효과가 AM 1.5G 태양광 스펙트럼의 에너지 분포 가중치(weighting)를 고려한 전체 파장 영역에서 유효하게 작용하여 실제 광생성 캐리어 수집 효율을 높였음을 뒷받침한다. 한편 V_oc의 향상은 Ga₂O₃/Si 계면에서의 재결합 억제 효과와 밀접하게 연관된다³⁴⁾. 비정질 Ga₂O₃ 보호층은 Si 표면의 결함 상태를 효과적으로 패시베이션하여 표면 재결합 속도를 감소시키며, 이는 PC1D 시뮬레이션에서 가정한 낮은 표면 재결합 속도 조건과 일관된 경향을 보인다. 결과적으로 Ga₂O₃ 보호층은 광학적 반사 감소와 전기적 계면 안정화를 동시에 유도하여 수중 환경에서의 광전 변환 성능을 향상시키는 이중 기능층으로 작용함을 확인하였다.

마지막으로 Fig. 3(d)는 illumination 조건에서 공기 및 수중 환경에서의 전류–시간(I–t) 응답을 비교한 결과이다. 네 조건(W/O-Air, W/G-Air, W/O-Water, W/G-Water) 모두에서 광 조사 on/off에 따라 전류가 주기적으로 변화하며, 반복 사이클에서도 유사한 파형이 유지되어 측정의 재현성을 확인할 수 있다⁴²⁾. 특히 수중 조건에서 전류 진폭이 공기 조건 대비 증가하는 경향을 보였으며, Ga₂O₃ 보호층이 적용된 W/G-Water 조건에서 가장 큰 photocurrent 응답이 관찰되었다. 이는 물 매질에 의한 광학적 정합 효과와 Ga₂O₃ 보호층의 계면 개선 효과가 복합적으로 작용하여 광생성 캐리어의 유효 수집이 증가했음을 시사한다⁴⁰⁾.

Fig. 3

(a) Schematic representation of the step refractive index matching among air, water, Ga₂O₃, and Si. (b) Reflectance spectra of bare Si and Ga₂O₃ - coated Si cells. Here, W/O and W/G denote “Without Ga₂O₃” and “With Ga₂O₃” conditions, respectively. (c) Current–voltage (I–V) characteristics under dark and AM 1.5G illuminated conditions. (d) Time-resolved photocurrent response (I–t) under chopped illumination for various operation environments

Fig. 4는 Ga₂O₃ 보호층의 두께 변화에 따른 공기 및 수중 환경에서의 광전 변환 파라미터를 비교한 결과이다. Bare Si 소자는 공기 중에서 17.8%의 효율을 나타냈으나, 동일 소자를 수중에서 구동할 경우 19.1%로 효율이 향상되었다. 이는 앞서 고찰한 바와 같이 물이 공기와 실리콘 사이의 급격한 광학적 불연속성을 완화하여 전면 반사 손실을 유효하게 감소시킨 결과이다.

Ga₂O₃ 보호층이 도입된 경우, 공기 중 조건에서는 모든 두께 영역에서 Bare Si 대비 효율 향상 폭이 1.0 ~ 3.0% 내외의 미미한 수준에 그쳤다. 이는 공기–산화물–실리콘 계면 구조가 수중 환경만큼의 유의미한 굴절률 정합 효과를 제공하지 못하기 때문으로 판단된다. 반면, 수중 조건에서는 보호층 두께에 따라 뚜렷한 성능 변화가 관찰되었다. 특히 20 nm 두께에서 최대 효율 20.7%를 달성하였으며, 이는 대기 중 Bare Si 대비 약 16.3%의 상대적 효율 향상에 해당한다. 이때 J_sc는 52.4 mA/cm²로 가장 높게 나타났으며, V_oc 또한 0.609 V로 증가하여 광학적·전기적 특성이 동시에 개선되었음을 입증한다.

보호층의 두께가 10 nm 이하인 경우 충분한 굴절률 정합 및 계면 패시베이션 효과를 제공하지 못해 효율 향상이 제한적이었으며, 30 nm 이상으로 두꺼워질 경우 효율이 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 박막 두께 증가에 따른 광 흡수 손실 및 전하 수송 저항의 증가에 기인한 것으로 판단된다^11,33). 결과적으로 20 nm는 광학적 반사 저감과 전기적 계면 안정화가 최적의 균형을 이루는 임계 두께임을 확인하였다.

Table 3은 20 nm Ga₂O₃ 보호층이 적용된 수중 소자의 실험 결과와 PC1D 시뮬레이션 결과를 비교한 것이다. 시뮬레이션과 실제 실험값 사이에는 정량적인 차이가 존재하며, 이는 실제 소자의 복잡한 광학 경로, 수중 측정 시 발생할 수 있는 광 산란, 그리고 표면 텍스처링 효과 등이 시뮬레이션 모델에서 단순화되어 반영된 데 기인한다. 또한 시뮬레이션에서는 이상적인 계면 패시베이션 조건(SRV = 6.1 cm/s, τ_eff = 2.1 ms)을 가정하였으며³¹⁾, 이에 따라 V_oc와 FF가 실험 결과보다 다소 높게 예측되었다. 이는 실제 소자에서 존재하는 계면 트랩, 직렬저항(series resistance)등의 비이상적 요소가 시뮬레이션 모델에 완전히 반영되지 않았기 때문으로 판단된다⁴³⁾. 특히 실제 소자에서는 RF 스퍼터링 공정 중 발생하는 미세한 플라즈마 손상, 레이저 커팅에 의한 가장자리 결함(edge defect), 그리고 전기적 접촉 저항 등이 V_oc와 FF를 시뮬레이션 결과보다 낮추는 요인으로 작용하였다. 그러나 정량적 절대값의 차이에도 불구하고, 두 결과는 경향 측면에서 높은 일관성을 보인다. PC1D 결과에서 Water/Ga₂O₃/Si 구조는 Bare Si 대비 V_oc, J_sc, 효율 모두 증가하는 것으로 나타났으며, 실험 결과에서도 동일한 증가 경향이 확인되었다⁴⁴⁾. 특히 J_sc 증가가 주요 효율 향상의 기여 요인으로 나타났다는 점은 단계적 굴절률 정합에 따른 전면 반사 감소 효과와 잘 부합한다⁴⁵⁾.

또한 V_oc 향상 역시 시뮬레이션에서 예측한 계면 패시베이션 효과와 동일한 방향성을 보이며, 이는 Ga₂O₃ 보호층이 실제 소자에서도 재결합 억제에 기여하고 있음을 시사한다³⁹⁾. 따라서 본 연구에서 제안한 물–Ga₂O₃–Si 단계적 굴절률 구조 및 계면 안정화 전략은 이론적 예측과 실험적 결과 간의 정합성을 통해 그 타당성이 뒷받침된다.

Fig. 4

Power conversion efficiency (PCE) of Si solar cells as a function of the Ga₂O₃ protective layer thickness measured in air and underwater environments

4. 결 론

본 연구에서는 수중 환경에서 실리콘 태양전지의 효율 및 안정성을 동시에 확보하기 위해 다기능 Ga₂O₃ 보호층을 도입하고 그 유효성을 검증하였다. 먼저, 물–Ga₂O₃–실리콘으로 이어지는 단계적 굴절률 정합 구조를 통해 전면 반사 손실을 획기적으로 개선하였다. 특히 Ga₂O₃ 보호층은 약 4.8 eV의 광대역 밴드갭 특성을 바탕으로 자외선 영역의 반사를 선택적으로 억제함으로써 수중 구동 시 발생할 수 있는 소자의 광 열화를 방지하는 효과를 보였다.

전기적 측면에서는 저전력 스퍼터링 공정을 통해 p-n 접합부의 손상 없이 고품질의 박막을 형성하였다. 비정질 구조의 Ga₂O₃ 층은 실리콘 계면의 트랩 밀도를 효과적으로 감소시키는 패시베이션 기능을 수행하여 V_oc 향상에 기여하였으며, 동시에 외부 수분 침투를 차단하는 물리적 보호층 역할을 수행할 가능성을 확인하였다. 본 연구에서의 Hall 측정과 I-V 분석에 기인한 해석은 Ga₂O₃ 보호층의 효과에 대해서 시뮬레이션과의 일치된 경향성을 보인 것으로 판단된다. 향후 연구에서는 C-V 분석 및 정밀 수명 측정 등을 도입하여 패시베이션 효과를 보다 명확히 정량화할 계획이다.

두께 최적화 결과, 광학적 반사 저감과 전기적 계면 안정화가 최적의 균형을 이루는 20 nm에서 최대 효율 20.7%를 달성하였다. 이는 대기 중 Bare Si 소자(17.8%) 대비 약 16.3% 향상된 결과로, 수중 환경에서 소자의 성능을 극대화할 수 있는 최적의 설계 지표를 제시한다. 이러한 우수한 광전 성능을 실제 수중에서 장기적으로 유지하기 위해서는 Ga₂O₃ 층의 보호 기능을 극대화할 수 있는 추가적인 신뢰성 확보가 요구된다. 현재의 단일 보호층은 일시적인 수분 차단은 가능했으나, 수개월 이상의 장기 내구성(long-term stability)을 완벽히 보장하기 위해서는 고성능 봉지(encapsulation) 기술과의 연계가 향후 실용화의 핵심 과제가 될 것으로 판단된다.

결론적으로, 본 연구에서 제안한 Ga₂O₃ 층은 단일 공정으로 반사 방지, 계면 안정화, 자외선 차단의 다기능을 수행함을 입증하였다. 이러한 결과는 수중 환경에 최적화된 고효율 광전 소자 설계를 위한 실질적인 공정 가이드를 제시하며, 향후 수중 광전 변환 효율 향상을 위한 기술적 참고 자료가 될 것으로 기대된다.