나노소자특화팹센터(www.kanc.re.kr)전략과제실장_박원규 박사(031)546-6410 / wkpark@kanc.re.kr▣ 개요녹색성장동력의 한 축을 이루는 신재생에너지 산업에서 태양광발전 기술의 진보는 석유가격 급상승에 따라 한층 가속화되고 있다. 태양광발전의 핵심부품소자인 태양전지는 국내에서 에너지기술연구원을 중심으로 오랫동안 연구되어 왔고, 최근 5년간은 지식경제부가 ‘태양광사업단’을 구성해 산 ㆍ 학 ㆍ 연의 태양전지 상용화 기술 개발을 적극 지원해 왔다.실리콘 웨이퍼를 사용하는 일반 태양전지와 달리 화합물반도체인 갈륨비소(GaAs)계 태양전지는 주로 위성용 태양전지에 적합한 특성을 갖고 있어 위성 관련 산업이 발달한 미국, 러시아, 일본, 독일 등을 중심으로 개발됐다. 일반적으로 갈륨비소계(IIIV족 원소) 화합물반도체는 공정 소요 시간이 오래 걸리고 사용하는 소재들이 고가여서 주로 고성능 전자부품에서 그 시장을 형성하고 있다. III-V족 화합물반도체 태양전지는 광전변환효율이 높고 열적 안정성과 방사능 내성이 우수하여 대기권 밖의 우주용으로 적합하다. 최근에는 태양전지 크기를 1㎝ x 1㎝ 또는 그 이하로 작게 하고 그 위에 집광렌즈를 부착한 집광형 태양전지가 개발되어 지상발전용으로 각광을 받고 있다.▣ 집광형 화합물반도체 태양전지 기술전 세계 태양전지 시장에서 집광형 태양전지가 차지하는 비율은 아직 1% 미만이나 실리콘 태양전지가 겪고 있는 소재 공급 부족과 같은 문제가 없고, 계속적인 효율 증대 기술이 개발되고 있어 2020년 경에는 20%의 시장 점유율까지 기대되고 있다. 태양전지 제조에 사용되는 웨이퍼 크기를 현재 4인치에서 6인치로 대형화하여 공정 단가가 하락하면 장기적으로 가격경쟁력이 있을 것으로 집광형 태양전지 업체들은 낙관하고 있다.(<그림 1> 참조)
집광형 화합물반도체 태양전지 기술에는 태양전지 효율에 직접 영향을 주는 전지의 설계 및 제조 기술 외에도 집광에 연관하여 렌즈 기술과 집광 시 발생하는 열을 방출하는 패키징 기술, 태양 추적기 기술이 요구된다. 집광에 의해 같은 면적의 전지에서 더 큰 전류를 얻어낼 수 있으므로 집광렌즈를 300배, 500배, 1000배 등으로 높이는 기술이 개발되고 있다. 화합물반도체 태양전지의 경우는 집광 배수가 일정 값에 도달하면 효율이 최고가 되는 경향이 있다.1. 해외 기술 동향외국의 경우 III-V족 화합물반도체 태양전지는 연구개발 단계에서 상용화 단계로 진입했다. 현재 태양전지 효율 향상뿐 아니라 소자의 옥외 시험과 신뢰성 검증에 대한 연구가 진행되고 있다. 상용화에 나선 미국의 대표적인 기업은 보잉사의 자회사인 스펙트로랩과 엠코어가 있다.이 두 기업은 각각 미국의 신재생에너지 연구소 NREL의 InGaP/InGaAs/Ge의 삼중접합 구조 태양전지 기술을 이전 받아 사용하고 있다. 이 구조는 지금까지 나온 어떤 태양전지보다 높은 효율을 달성해 비집광 시 28~32%, 집광 시 37~40%의 고효율을 나타낸다.
실리콘 태양전지는 p-n 단일접합의 구조에서 17~18% 효율을 나타내고 그 위에 다른 물질의 전지를 추가하는 등의 방법으로 효율을 20%까지 올리고 있다. 실리콘 p-n 단일접합 태양전지는 태양광 스펙트럼의 가시광 대역을 주로 흡수하는 밴드갭 1.1eV의 실리콘 반도체 물질로 구성되어 있다.반면 삼중접합 구조의 태양전지는 가시광 대역보다 넓은 범위의 파장 대역을 흡수한다. 빛이 처음 들어오는 상부 전지는 밴드갭이 1.9eV인 InGaP 화합물반도체 에피층을 이용한 p-n 접합이고, 중앙부 전지는 밴드갭이 1.4eV인 InGaAs 화합물반도체 에피층을 이용한 p-n 접합이다. 하부 전지는 밴드갭이 0.7eV인 Ge 기판으로 형성하는 p-n 접합이다. 이렇게 밴드갭 크기가 서로 다른 물질로 태양광 스펙트럼 영역을 폭넓게 흡수할 수 있어 단일접합 실리콘 태양전지에 비해 광전변환효율이 우수하다.
화합물반도체 에피층 성장에는 MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치가 사용된다. 이는 LED 제조에도 널리 쓰이는 에피 성장장비이다. 밴드갭 크기를 조절하기 위해 화합물반도체 에피층 성장 시 원료 가스의 종류와 비율을 공정 변수로 해서 조성을 변화시킨다. 상부 전지, 중앙부 전지, 하부 전지 간의 연결에도 MOCVD를 이용하여 성장한 에피층에 높은 농도로 도핑하여 얻은 터널접합을 적용한다.일본의 경우 화합물반도체 태양전지 연구 역사가 30년을 넘고 있으며 샤프, 도요타, 다이도 스틸이 컨소시엄으로 NEDO 프로젝트를 수행하여 InGaP/InGaAs/Ge 삼중접합 태양전지에서 효율 38.9%를 달성했다.독일은 프라운호퍼 ISE 연구소에서 같은 삼중접합 구조에서 35.2%를 달성했고, 컨센트릭스 솔라사를 몇 년 전 분사시켜 상용화 보급에 나섰다.스페인의 경우는 태양전지 발전 환경으로 최고의 입지 조건을 누리고 있는 만큼 집광형 태양전지 기술에서도 연구 활동이 활발하다. 마드리드 대학을 중심으로 이중접합 태양전지를 개발했으며, 대학부지 내에 미국, 독일, 스페인의 업체들로부터 집광형 태양전지 시스템을 공급 받아 대규모로 집광형 태양전지 시스템의 옥외 시험과 신뢰성 검증 연구를 하고 있다. 이곳에는 스페인 Isofoton사의 400㎾급 시범 단지가 있고, 독일 Concentrix사가 200㎾급, 미국 Solfocus사가 200㎾급 집광형 태양전지 발전 시설을 각각 구축하고 있다. 2단계 시범단지도 계획됐는데 주요 참여 업체들은 미국 Emcore사(300㎾), 스페인 Sol3g사(400㎾), CSLM사(300㎾), 대만 Arima사(300㎾)이다. Arima사는 LED 공급 업체로서 태양전지 사업에 본격 참여하는 첫번째 회사가 될 것으로 보인다.
2. 국내 기술 동향국내에서는 KIST, ETRI 등에서 연구가 진행되고 있으며 최근에 아주대학교, 서울대학교, 나노소자특화팹센터 등이 연구 결과를 내고 있다. 논문 발표 기준으로 국내 최고 효율은 나노소자특화팹센터가 제작한 InGaP/GaAs 이중접합 구조의 태양전지(24.10%)이다.이 태양전지는 GaAs 기판을 이용하여 그 위에 버퍼층, InGaP Back Surface Field 층, GaAs p-n 접합, AlInP 창층으로 먼저 하부 전지를 구성한다. 그 위에 터널접합으로서 GaAs p-n 접합, 상부 전지로서 InGaP p-n 접합, AlInP 창층 순서로 형성한다.하부 전지용 AlInP 창층 에피 성장 온도는 그 후에 성장되는 층들에 영향을 주고 태양전지 전체의 성능에 영향을 미치며, 기판으로 사용되는 GaAs 웨이퍼의 기판 경사도도 태양전지 효율에 중요한 인자로 작용한다. 상부 전지와 하부 전지를 연결하는 터널접합에 사용되는 도핑 원소에 따라 도핑 농도가 크게 영향을 받으므로 태양전지 전류-전압 특성에 중요한 인자이다.태양전지 효율은 태양광 모사 조명장치에 의한 광조사 조건에서 전지의 전류-전압 특성을 평가하여 구한다. 집광형 태양전지의 효율 측정을 위해서는 별도의 집광 렌즈를 부착한 태양광 모사 조명장치가 필요하고 냉각 장치, 고전류 측정장치가 필요하다.▣ 마무리집광형 태양전지 기술 개발에서 남아 있는 과제는 시스템의 안전성과 신뢰성이다. 태양광발전 시스템에 요구되는 내구년한은 20년이다. 그리고 시스템은 발전소 외에도 주택 지붕이나 마당에 설치되기도 하므로 사람에게 어떠한 위해성도 없어야 한다.태양광발전 시스템에 화재가 발생하더라도 인접한 건물에 불이 번져서는 안 된다. 또한 전기 누설이나 기계적 구조물에 의한 인적 피해를 방지할 수 있어야 한다. 그 외에 집광형 태양전지 시스템에 대한 시험으로서는 우박 시험, 충격 시험, 항온항습 시험, 전기절연 시험, 풍동 시험, 옥외 노출 시험, 혹한 조건 시험, 스프레이 시험, 열 수축 팽창 시험 등이 있다.이러한 다양한 측면의 인증 조건을 통과할 수 있고 상업적 가격 경쟁력도 가지려면 집광형 태양전지 시스템에 쓰이는 재료의 선정 및 시스템 설계를 그 지역 환경에 맞추어 최적화하지 않으면 안 된다. 따라서 스페인에서 현재 연구되고 있는 발전 시스템 간 비교 평가는 전 세계 지역에 모두 적용될 수 있는 기준을 제시할 것으로 보기는 어렵다.우리나라에 최소한 수백 ㎾급 집광형 태양전지 발전 테스트 베드를 설치하여 우리나라 환경에 맞는 집광형 태양전지 발전 시스템 기준을 개발해야 할 것이다.
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