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화합물 다중접합 태양전지의 고효율화 및 응용

전문가 제언: ○ 다중접합 태양전지는 이종 반도체 재료를 사용한 복수의 p-n 접합으로 구성된 태양전지이다. 각각의 p-n 접합이 서로 다른 파장의 빛을 흡수함으로서 변환효율을 향상시킨다. 전통적인 단일접합 태양전지의 변환효율은 이론적으로 쇼클리-퀘이서(Shockley-Queisser) 한계로 제한되며 밴드 갭 1.34eV에서 33.7%이다. 가장 널리 사용되는 1.12eV 실리콘 반도체의 변환효율의 한계는 29%이며 상용화된 제품은 20~25% 수준이다. 다중접합 태양전지는 실험실 수준에서 43% 이상이 시연되었다.

○ 다중접합 태양전지의 재료 선정에는 격자정합, 전류의 정합, 광전 특성을 고려해야 한다. 고품질의 결정 성장을 위해서는 재료의 결정 격자상수 사이에 가급적 차이가 작아야 한다. 셀이 전기적으로 직렬로 연결되므로 재료는 상부 셀에서부터 밴드 갭이 감소하는 순서로 배치하여 각각의 접합에서 발생하는 전류 사이에 균형을 이루도록 해야 한다. 또한 고성능을 위해 광 흡수율이 높고 소수 운반자의 수명이 길고 높은 이동도를 가진 재료를 선택해야 한다.

○ 다중접합 태양전지는 일반적으로 상부 셀에 InGaP(1.86eV), 중간 셀에 InGaAs(1.4eV), 하부 셀에 Ge(0.67eV)를 사용한다. Ge를 사용하는 주된 요인은 격자상수, 견고성, 저비용, 풍부함, 제조의 용이성 등이다. 샤프는 2000년부터 InGaP(1.86eV)/GaAs(1.4eV)/InGaAs(1.2eV) 구조를 채택한 태양전지의 연구 개발을 진행하고 있다. 본고에서는 이와 관련하여 다중접합 태양전지의 고효율화 기술과 응용에 대해 기술한다.

○ 다중접합 태양전지는 변환효율이 높지만 재료비 및 제조비용이 높다. 태양전지의 경쟁력 확보를 위해서는 변환효율 향상은 물론이지만 재료, 구조, 공정 등을 종합적으로 검토하여 가격 대 성능비를 높이는 것이 중요하다. 한국화학연구원, 광주과학기술원, 한국과학기술연구원 등에서 다양한 연구 개발이 이루어지고 있으며, 최근 한국과학기술 연구원의 김홍곤 박사팀은 유기물 반도체의 저렴함과 무기물 반도체의 높은 효율을 결합한 유무기 다중접합 태양전지를 개발했다.

저자: Hidetoshi Washio, Hiroyuki Juso
자료유형: 학술정보