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질문
(전문-노홍구-07/30) 전환효율이 30% 이상인 GaInP/Si 태양전지의 정보가 필요함.

(요약/배경) 태양전지 개발에 관심이 있는 기업입니다. 태양전지 중에서 전환효율이 30% 이상인 것으로 GaInP/Si 태양전지가 연구되고 있는 것으로 안다. GaInP/Si 탠덤 태양전지의 개발에 대한 정보가 필요하다.

 

 

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답변

(태양전지의 고효휼화) 태양전지의 주류는 결정 Si 태양전지로, 전력용 태양전지 생산의 90%를 점유하고 있지만 광전변환 효율의 비약적인 향상은 어렵다. 결정 Si태양전지에는 효율 24.7%가 달성되어 있지만 29%가 한계이다. 비정질(amorphous) Si 태양전지나 미세결정 Si의 적층(tandem) 태양전지의 현상효율은 14.5%, 16%에 대하여 한계효율은 18.5%, 23.5%이다. 동인듐셀렌계, 색소 증감형이나 유기계도 현상효율은 19.9%, 11.3%, 6.5%에 대하여 한계효율 각각 23.5%, 17.5%, 15%로 예상된다. Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 기술을 기초로 한 InGaP/InGaAs/Ge 3접합구조태양전지 집광동작의 효율은 41.6%가 실현되어 4접합, 5접합 등 다접합에 따라 효율 50% 이상 초고효율화의 기대도 가능하다. 최근, 미국은 고성능 PV 프로젝트를 발족하여 기존의 태양전지보다 2배 이상의 성능향상 및 태양전지 시장의 활성화를 목적으로 고효율 다중접합 태양전지 연구가 진행되고 있다. 여기서 다중접합 III-V 화합물 반도체 태양전지를 중심으로 하는 집광형 태양전지 연구개발에 의해, 2020년까지 41% 셀 효율 및 33% 시스템 효율 실현을 목적으로 하며, 이러한 효율을 달성함으로써 집광형 태양전지 시스템 가격을 1$/Wp 이하로 실현하는 것을 목표로 하고 있다. 고효율화를 위해서는 파장 감도 대역의 확산이 필요하며 밴드-캡 차이가 있는 재료는 태양전지를 다접합 구조로 하여야 한다. 다접합 태양전지의 이론효율은 다접합 함수 의존성에 의하면 3, 4접합의 비집광 효율은 42%, 46%, 집광 동작에서는 52%, 55%의 고효율이 기대된다.

(효율30% GaInP/Si태양전지) 태양전지의 주류는 결정 Si 태양전지로, 전력용 태양전지 생산의 90%를 점유하고 있지만 광전변III-V족 화합물 반도체는 III족(In, Ga, Al)과 V족(As, P) 물질을 혼합하여 다양한 밴드갭 에너지를 가지므로 다양한 흡수 대역의 태양전지 개발이 가능하다. 가시광대역(600nm) 이하 단파장 대역은 GaInP 박막이 사용되며 근적외선 대역(800nm)이하에서는 InGaAs 박막을 사용하고, 적외선 대역(1,600nm)이하에서는 Ge을 이용하고 있다. GaInP/Si 태양전지는 NERL의 Stephanie Essig 박사 등이 보고한 것으로, GaInP/Si 이중접합 태양전지는 후면 GaInP 톱 셀을 GaAs 기판 위에 MOVPE로 성장시키고 스택하기 전 리드 접촉 금은 AlGaAS 층 위에 전석한 후 반사 방지 ZnS를 증착한다. Si 바탕 제작은 180㎛ 두께 CZ 실리콘 기판에 3.5Ωcm 저항의 피라미드 상 표면을 형성하는데 전면은 보론 확산으로 생성하고 4cm2 셀은 메사에칭으로 구획한다. 15㎛ 두께 Al2O3 수동태층과 80nm 두께 SiNx 아크로 도포하고 후면은 수동태 층과 50nm 다결정 실리콘 층을 만들고 Ag접선을 전후면에 공히 증착한다. 금을 그리드에 연결하면 1.00cm2 크기의 탠덤 셀 사이즈가 되는데 GaAs 접촉 층을 패턴하면 ZnS/MgF2-ARC를 1.8㎛ 두께 GaInP 셀 전면에 증착하는 식으로 완성한다. 이 과정에서 어려운 점은 기본적으로 입자의 나노화와 모르폴러지가 중요함은 물론이고, 직접 에피택시로 Ga0.5In0.5P/Si탠덤 태양전지를 제작하는 것은 톱 접합을 구성하는 재료의 격자 정수가 상이하고 열팽창계수가 달라 쉽지 않다. 또 부속 셀 사이의 중간층은 반사나 흡수 손실을 최소화하기 위해 주의가 필요하다. 이러한 어려움 때문에 에피택시로 GaInP/Si 탠덤 태양전지 제작을 기계적으로 스택하는 디바이스가 산업용으로 나와 있다. GaInP/Si 태양전지를 제작하는 다른 방법은 직접 웨이퍼 본딩(bonding)으로 이것은 2개의 미러 광택의 표면을 서로 영구 접착하는 것이다. 이 방법의 장점은 Si과 Ⅲ-V 셀이 각기 만들어져 저온에서 접합한다. 그래서 Ⅲ-V/Si 멀티 접합 셀은 싱글접합 아래에서 25.2%의 효율을 갖고 112-sun 아래서는 30.0%의 효율을 나타내었다.

(형후 태양전지의 전망) 향후에 각종 태양전지의 변환효율 향상이 진척될 것이며 초고효율로 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 다접합형 태양전지 이외는 단일재료로 변환효율 달성은 어렵기 때문에 다접합형 접근이 필요하다. 또한 집광형 태양전지 모듈은 현재 사용하는 비집광형 평판형 태양전지 모듈에 비하여 면적당 약 2배의 출력이 되어 대규모 태양발전소 등 새로운 응용분야에 가능하게 되었다. 구주공동체의 집광형 태양전지의 도입 시나리오에 따르면 2030년에 집광형 태양전지 모듈생산량은 40GW로 전 태양전지 생산량의 1/3을 점유할 것으로 기대하고 있다. 결정계 Si 태양전지는 박막형에 다음의 태양전지로, 집광형 다접합 태양전지가 광범위한 태양발전 시스템의 도입, 보급에 공헌할 것으로 기대가 된다.

 

Tip : 태양전지의 주류는 결정 Si 태양전지로, 전력용 태양전지 생산의 90%를 점유하고 있지만 광전변III-V족 화합물 반도체는 III족(In, Ga, Al)과 V족(As, P) 물질을 혼합하여 다양한 밴드갭 에너지를 가지므로 다양한 흡수 대역의 태양전지 개발이 가능함.

 

<참고자료·문헌> 다음의 인터넷 사이트를 참고하면, 고효율 태양전지에 관련한 추가적인 사항 등을 볼 수 있음.

http://www.google.co.kr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0ahUKEwiy1LrdjfPQAhXGS7wKHQEMC60QFggiMAA&url=http%3A%2F%2Fwww.kipo.go.kr%2Fclub%2Ffile.do%3FattachmentId%3D5036&usg=AFQjCNHx6kVBtryR9l6lWdgV924aEVYlLw

 

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