새로운 태양 전지 기록

게시일: 2020년 8월 10일 / 업데이트일: 2020년 8월 17일 – 저자: Konrad Wolfenstein

영문 버전으로 전환

더욱 향상된 효율을 자랑하는 탠덤 방식 – 새로운 태양 전지 기록 달성

태양광 연구는 태양 전지의 효율을 지속적으로 향상시키기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 특히 탠덤 태양광 발전은 고성능 태양 전지 소재를 다양한 방식으로 결합하여 태양 스펙트럼을 더욱 효율적으로 빛 에너지로 변환하는 기술로, 점점 더 주목받고 있습니다. 프라운호퍼 ISE는 실리콘 기판에 직접 성장시킨 III-V/Si 탠덤 태양 전지에서 25.9%라는 새로운 최고 효율을 달성했습니다. 이는 비용 효율적인 실리콘 기판에서 생산된 최초의 태양 전지로, 탠덤 태양광 발전의 경제적 실현 가능성을 향한 중요한 이정표입니다.

직경 10cm의 실리콘 기판 위에 여러 개의 III-V 탠덤 태양 전지가 배치된 모습 – © Fraunhofer ISE – 사진: Markus Feifel

프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(ISE)는 수년간 다중 접합 태양전지 연구에 매진해 왔습니다. 다중 접합 태양전지는 두세 개의 서브셀을 쌓아 올려 서로 다른 파장의 햇빛을 전기로 변환하는 구조입니다. 실리콘은 적외선 영역을 흡수하는 데 적합하며, 그 위에 수 마이크로미터 두께의 III-V족 반도체 박막이 도포됩니다. 이 물질들은 주기율표 3족과 5족에 속하며 자외선, 가시광선, 근적외선을 더욱 효율적으로 전기로 변환합니다. 순수 III-V족 반도체 태양전지는 이미 우주 공간과 집광형 태양광 발전 시스템에 사용되고 있습니다. 실리콘을 하부 서브셀로 사용하는 동시에 비용 효율적인 공정을 개발하면 이러한 탠덤 태양전지 기술을 미래에 널리 보급할 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 아직 갈 길이 멉니다.

실리콘 직접 성장 III-V/Si 탠덤 태양전지의 경우 25.9%

III-V족 반도체와 실리콘 태양전지를 결합한 제조 방법에는 여러 가지가 있습니다. 2019년부터 프라운호퍼 ISE는 III-V족 반도체 층을 갈륨비소 기판에서 실리콘으로 전사하고 웨이퍼 본딩으로 접합하는 탠덤 태양전지로 34.1%(현재 34.5%)의 세계 최고 효율 기록을 보유해 왔습니다. 이 기술은 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. 따라서 프라운호퍼 ISE는 III-V족 층을 실리콘 태양전지에 직접 증착하거나 에피택시 접합하는 보다 직접적인 제조 공정을 개발하기 위해 수년간 연구해 왔습니다. 모든 층에서 높은 결정 품질을 유지하는 것이 매우 중요하며, 이는 상당한 과제입니다. 최근 실리콘에 직접 성장시킨 이러한 III-V/Si 탠덤 태양전지에서 25.9%의 새로운 세계 최고 효율을 달성했습니다. 프라운호퍼 ISE 소속 과학자 마르쿠스 파이펠은 최근 온라인으로 개최된 제47회 IEEE 태양광 전문가 컨퍼런스에서 연구 성과를 발표하고 하이브리드 탠덤 태양전지 부문 학생상을 수상했습니다. "모든 흡수층이 서로 연결되어 있고 추가적인 결정층으로 전기적으로 연결되어 있기 때문에 셀의 복잡한 내부 구조는 외부에서 볼 수 없습니다."라고 이 젊은 태양전지 연구원은 설명하며, 1년도 채 안 되는 기간 동안 효율을 24.3%에서 25.9%로 향상시키는 데 성공했다고 밝혔습니다. "이러한 성과는 다중 셀 내부의 얇은 층 하나를 교체함으로써 달성되었습니다."라고 그는 덧붙였습니다. "셀에 대한 정밀 분석 결과, 이 층이 전기 전도를 방해하는 장벽 역할을 하고 있다는 것을 밝혀냈습니다."

2007년부터 프라운호퍼 연구진은 일메나우 공과대학교, 마르부르크 필립스 대학교, 그리고 아이스트론(Aixtron)사와 협력하여 특수 에피택시 시스템을 구축하고 구조의 각 층을 개별적으로 분석하는 등 기술 개발을 점진적으로 진행해 왔습니다. 이러한 개발은 독일 연방 교육연구부(BMBF)의 "III-V-Si" 및 "MehrSi" 프로젝트의 지원을 받았습니다. 새로운 탠덤 태양전지의 가장 큰 특징은 기존처럼 화학적 및 기계적 연마 처리된 기판이 아닌 실리콘 웨이퍼 위에 III-V 층을 성장시켰다는 점입니다. 웨이퍼는 결정 절단 후 간단하고 비용 효율적인 연삭 및 에칭 공정을 거쳐 처리되었습니다. 덴마크 기업 탑실(Topsil)은 유럽 "SiTaSol" 프로젝트의 일환으로 이러한 실리콘 웨이퍼를 개발하여 새로운 다중 접합 태양전지의 경제적인 생산을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 향후에는 효율성을 더욱 높이고, 증착 속도를 더욱 향상시켜 처리량을 늘리고 비용 효율성을 높이는 데 초점을 맞출 것입니다. 이를 통해 탠덤 태양광 발전이 에너지 전환에 필요한 태양광 발전 확대에 중요한 기여를 할 수 있도록 하는 것이 목표입니다.

에너지 전환을 위한 핵심 기술

태양 전지를 이용한 전기 생산은 현재 전 세계 여러 지역에서 가장 비용 효율적인 에너지 생산 방식입니다. "유럽의 태양광 연구팀은 에너지 전환의 핵심 기술인 태양 전지의 효율을 더욱 향상시키기 위해 다양한 개념을 연구하고 있습니다."라고 태양광 연구 책임자인 스테판 글룬츠 교수는 말합니다. "저희는 실리콘 태양 전지 생산을 더욱 지속 가능하고 비용 효율적으로 만드는 데 주력할 뿐만 아니라, 검증된 실리콘에 다른 반도체 소재를 결합하여 더욱 높은 효율을 달성할 수 있는 새로운 방법을 모색하고 있습니다. 바로 탠덤 태양광 기술을 통해서입니다." 탠덤 태양광 기술은 미래의 전력 생산 방식을 제시할 뿐만 아니라, 높은 전압 덕분에 물을 수소와 산소로 직접 분해하는 전기분해에도 이상적입니다. 따라서 이 기술은 에너지 저장 매체이자 에너지 전환의 중요한 구성 요소인 수소 생산에도 기여합니다.

III-V/Si 다중 접합 태양 전지의 층 구조 – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g 분광 조건에서 III-V/Si 다중 접합 태양 전지의 층 구조, 양자 효율 및 IV 특성

더욱 향상된 효율을 자랑하는 탠덤 방식 – 새로운 태양 전지 기록 달성

태양광 발전 연구는 태양 전지의 효율을 지속적으로 향상시키기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 특히, 고성능 태양 전지 소재를 다양한 조합으로 결합하여 태양 스펙트럼을 더욱 효율적으로 빛 에너지로 변환하는 탠덤 태양광 발전에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 프라운호퍼 ISE는 실리콘 기판에 직접 성장시킨 III-V/Si 탠덤 태양 전지에서 25.9%라는 새로운 최고 효율을 달성했다고 발표했습니다. 이는 최초로 저렴한 실리콘 기판에서 구현된 것으로, 탠덤 태양광 발전의 경제적인 솔루션 개발을 향한 중요한 이정표입니다.

직경 10cm의 실리콘 기판 위에 여러 개의 III-V 탠덤 태양 전지가 있는 모습 – © Fraunhofer ISE – 사진: Markus Feifel

프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(ISE)는 수년간 두세 개의 부분 셀을 위아래로 배열하여 서로 다른 파장의 햇빛을 전기로 변환하는 다중 접합 태양전지를 연구해 왔습니다. 실리콘은 적외선 영역을 흡수하는 데 적합하며, 그 위에 주기율표 3족과 5족 원소인 III-V 반도체 층을 증착하여 자외선, 가시광선, 근적외선을 더욱 효율적으로 전기로 변환합니다. 순수 III-V 반도체 태양전지는 이미 우주 공간과 집광형 태양광 발전 시스템에 사용되고 있습니다. 실리콘을 최하단 셀로 사용하는 동시에 비용 효율적인 공정을 통해 탠덤 태양전지 기술을 개발하면 미래에는 다양한 태양광 발전 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대됩니다. 하지만 그 목표에 도달하기까지는 아직 갈 길이 멉니다.

실리콘 기판에 직접 성장시킨 III-V/Si 탠덤 태양전지의 경우 25.9%의 효율을 보였습니다

III-V족 반도체와 실리콘 태양전지를 결합하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 예를 들어, 프라운호퍼 ISE는 2019년부터 III-V족 반도체 층을 갈륨비소 기판에서 실리콘으로 전사하고 웨이퍼 본딩으로 연결하는 탠덤 태양전지로 34.1%(현재 34.5%)의 효율 세계 기록을 보유하고 있습니다. 이 기술은 효율적이지만 비용이 많이 듭니다. 이러한 이유로 프라운호퍼 ISE는 III-V족 층을 실리콘 태양전지 위에 증착 또는 에피택시하는 보다 직접적인 제조 공정을 개발하기 위해 수년간 연구해 왔습니다. 이 공정에서는 모든 층의 높은 결정 품질을 유지하는 것이 매우 중요한데, 이는 상당한 과제입니다. 최근 프라운호퍼 ISE는 실리콘 위에 직접 성장시킨 III-V/Si 탠덤 태양전지로 25.9%의 새로운 세계 최고 효율 기록을 달성했습니다. 프라운호퍼 ISE 소속 과학자 마르쿠스 파이펠은 최근 온라인으로 개최된 제47회 IEEE 태양광 전문가 컨퍼런스에서 연구 성과를 발표하고 하이브리드 탠덤 태양전지 부문 학생상을 수상했습니다. "모든 흡수층이 추가적인 결정층으로 연결되어 전기적으로 연결되어 있기 때문에 외부에서는 복잡한 내부 구조를 볼 수 없습니다."라고 파이펠은 설명하며, 1년도 채 안 되는 기간 동안 효율을 24.3%에서 25.9%로 향상시키는 데 성공했다고 밝혔습니다. 그는 "이러한 성과는 다중 셀 내부의 얇은 층 하나를 교체함으로써 달성되었습니다."라고 덧붙이며, "셀을 정밀 분석한 결과, 이 층이 전력선에 장벽 역할을 하고 있다는 것을 발견했습니다."라고 설명했습니다

프라운호퍼 연구진은 2007년부터 일메나우 공과대학교, 마르부르크 필립스 대학교, 그리고 아이스트론(Aixtron)사와 협력하여 특수 에피택시 장비를 구축하고 구조의 모든 층을 검사하는 등 단계적으로 기술을 발전시켜 왔습니다. 이러한 개발은 독일 연방 교육연구부(BMBF)의 "III-V-Si" 및 "MehrSi" 프로젝트의 지원을 받았습니다. 새로운 탠덤 태양전지의 가장 큰 특징은 기존처럼 화학적 기계적 연마(CMP) 처리된 기판이 아닌, 실리콘 웨이퍼 위에 III-V 층을 성장시켰다는 점입니다. 이 웨이퍼는 결정 절단 후 저렴한 연삭 및 에칭 공정만을 사용하여 간단하게 처리되었습니다. 유럽 프로젝트 "SiTaSol"에서 덴마크 기업 탑실(Topsil)은 이러한 실리콘 웨이퍼를 개발하여 새로운 다중 접합 태양전지의 경제적인 생산을 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 향후 목표는 효율성을 더욱 높이고, 더 빠른 속도로 더 높은 처리량을 통해 비용 효율성을 향상시켜, 탠덤 태양광 발전이 에너지 전환에 필요한 태양광 발전 확대에 중요한 기여를 할 수 있도록 하는 것입니다.

에너지 시스템 전환의 핵심 기술

오늘날 세계 여러 지역에서 태양 전지를 이용한 전기는 가장 저렴한 에너지 생산 방식입니다. "유럽의 태양광 연구는 에너지 전환의 핵심 기술인 태양 전지의 효율성을 더욱 향상시키기 위해 다양한 개념을 연구하고 있습니다."라고 태양광 연구 부서 책임자인 스테판 글룬츠 교수는 말합니다. "저희는 실리콘 태양 전지 생산을 더욱 지속 가능하고 비용 효율적으로 만드는 데 주력할 뿐만 아니라, 검증된 실리콘을 다른 반도체 소재와 결합하여 더욱 높은 효율을 달성하는 새로운 기술 개발에도 힘쓰고 있습니다. 바로 탠덤 태양광 기술을 통해서입니다. 탠덤 태양광 기술은 미래 전력 생산의 새로운 길을 열어줄 뿐만 아니라, 높은 전압 덕분에 물을 수소와 산소로 직접 분해하는 전기분해에도 이상적입니다. 따라서 이 기술은 에너지 저장 매체이자 에너지 전환의 중요한 구성 요소인 수소 생산에도 기여할 수 있습니다.".

III-V/Si 다중 접합 태양 전지의 층 구조 – © Fraunhofer ISE

AM 1.5g 분광 조건에서 III-V/Si 다중 접합 태양 전지의 층 구조, 양자 효율 및 IV 특성