저비용의 3세대 태양전지 선택, 30%의 효율성 장벽 극복할까?

브루노 디아즈(Bruno Diaz)

필자는 생산, 제조분야에 풍부한 경험을 가진 노련한 기술 이사이다. LSP(www.linsun-power.com)에 근무하기 전에 필자는 MBA 생산 제조 전공의 산업공학 전기 공학과와 물리학과를 졸업했고, 현재는 카나리 제도에서 지멘스 AG, ITER에서 근무 중이다.

태양광 일광 시간이 연중 2,000시간에 가까운 중국의 남부지역에서는 황금태양 프로젝트와 향후 기준가격 의무구매제도에 대한 기대감으로 많은 모듈 제조업체들이 생산을 시작했다. 구체적으로 말하자면 후지안 성에서는 현재 약 25개의 업체들이 운영되고 있는데, 이들은 주로 크리스털 실리콘 모듈을 생산하는 업체들이다. 이 업체들 중에서 광저우에 위치한 한 회사인 리순 파워 테크놀로지(LSP)는 2008년 초반 50MW로 운영을 시작해 2011년에는 150MW의 전력 생산을 목표로 하고 있다. 이 회사는 아직 작은 규모이지만 상당히 역동적이고 활발한 영업방식을 취하는 회사이며, 이 부문에서 특수 기계와 새로운 솔루션 개발을 위해 몇 개의 연구개발(R&D) 활동에 매진하고 있다.

또한 LSP는 태양전지의 효율성을 개선하기 위해 솔루션 개발을 목적으로 국제적인 연구 센터들과 협력 체제를 구축하고 있다. 여기에서 가장 두드러진 연구 협력기관은 구에레로 레무스 박사가 수장으로 있는 스페인 카나리 제도의 라 라구나 대학 컨설팅, 신재생에너지 광학(DERO) 그룹이다.

단일 접합으로 형성되는 제1세대 태양전지에서부터 시작해 스페인 교육 과학부의 지원(프로젝트 ENE2010-14865/ ALT)을 받는 이 협력체제의 주요 범위는 최근 광범위하게 연구되어, 몇몇 저자들이 이론적으로 체계화한 발광성 상/하향 변환기와의 결합을 통해 태양전지의 효율성을 개선하기 위해 크리스털 실리콘 전지의 희토 도핑 공정을 심층적으로 연구하는 것이다. 이러한 종류의 전지에는 소위 3세대 전지라고 하는 것이 포함되는데, 여기에는 다른 무엇보다도 비반도체 기술, 양자점, 2중/다중접합 전지, 중간 밴드 태양전지, 핫-캐리어 전지, 상향 변환 및 하향 변환 기술, 그리고 태양열 기술이 포함된다. 2세대는 PV 물질과 플라스틱 혹은 유리 층을 결합해 만들어지는 ‘박막 필름’이다.

사진 1. 솔라셀(Solar Cell). 태양전지의 효율성을 개선하기 위해 크리스털 실리콘 전지의 희토 도핑 공정을 심층적으로 연구하고 있다.

사진 2. 솔라젤레(Solarzelle). 태양광 업계는 1세대 태양전지와 2세대 태양전지를 대체할 대체 제품으로서 어떻게 제3세대 태양전지가 역할을 할지에 대해 관심을 집중하고 있다.

다공성 실리콘 전지

지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나가 실리콘이지만 높은 에너지 소비 방법을 통해 전지 및 태양광 산업에서 사용되기 위해서는 실리콘도 반드시 일정한 공정을 거쳐야 한다. 최근 실리콘 태양전지의 상대적으로 낮은 에너지 변환율을 개선하기 위해 몇 가지 제안들이 발표되었다. 본 연구에서 제안하는 제안의 본질적인 차이는 p-n 접합의 형성으로 사용되는 동일 공정을 이용해 혹은 공정에 대해 한 단계를 추가함으로써 도핑 공정이 이루어지면서 공정의 비용이 낮아진다는 점이다. 게다가 최근에는 다공성 실리콘 층에서 하향식 변환이 추가된 층의 상향식 변환과 하향식 변환 스펙트럼과 함께 탐지 가능하고, 이 경우에 이것은 희토 결합으로 형성된다는 점이 밝혀졌다.

희토와 함께 도핑 되는 다공성 실리콘 층(PSL)은 비 반사 자질, 빛 변환 능력으로 인해 광선 추적 PV 업계에서 몇몇 연구들을 가능케 했다. 최근에 이 변환 자질은 변환 층을 형성하면서 전지에 통합되는 고분자나 희토에서 주로 다른 물질로 추가되었다. 따라서 PSL과 희토의 결합된 광루미네선스(전기발광)는 PSL에서 하향식 변화(DS) 효과와 함께 희토에서의 하향식 변환(DC)과 상향식 변환(UC) 공정으로 인해 실리콘 태양전지의 효율성을 높일 수 있었다.

우리 모두가 시장에서 알고 있는 태양전지인 단일 접합 태양전지에 있어서 효율성 한계를 면밀하게 연구한다면 우리는 이러한 변환 층의 중요성을 이해할 수 있다. 이 한계는 1961년 PV 장치가 조립되는 반도체의 밴드 갭 에너지(Eg)에 따라서 쇼클리와 쿠에이서에 의해 계산되었다. 이 계산을 통해 이 장치의 변환 효율성에 대한 기본적인 상한치가 정해졌다. 그 결과 쇼클리와 쿠에이서는 단일 물질 전지에 있어서 태양 효율성 한계는 1.3eV의 최적의 밴드 갭으로 약 31%임이 입증되었다. 1,12eV의 밴드 갭을 가진 실리콘의 경우 쇼클리와 쿠에이서 한계는 30%로 줄어든다.

지구상에 풍부한 물질이기 때문에 실리콘은 반도체와 태양광 산업에서 가장 광범위하게 사용되는 물질이다. 스펙트럼 방사의 관점에서 보면 실리콘 기반 장치에서 이용 가능한 최대 전력은 468W/m2로 계산되었다.

뿐만 아니라 하향식 변환 공정에서 이용 가능한 전력의 최대치는 149W/m2이고 상향식 변환 공정에서는 이용 가능한 전력의 최대치가 164W/m2이다.

따라서 우리는 120nm 이하의 파장을 가진 광양자만이 효과적인 전자쌍을 생성할 것이라는 문제를 극복해야 한다. 특히 우리는 다섯 개의 주된 효율성 손실 공정을 생각해야 한다. 즉 격자 열중성자화 손실, 투명성, 재결합 손실, 접합 손실, 접촉 전압 손실이 그것이다. 장치 효율성을 상당 수준으로 개선하기 위해 극복해야 할 두 가지의 주된 손실 메커니즘은 우리가 파악한 바로는 앞부분에 언급한 두 개의 요인이다.

그러나 격자 열중성자화의 경우 높은 에너지를 가진 광양자는 전자쌍을 생성하며 빛이 밴드 갭을 초과해 빠르게 전자쌍이 손실되도록 하고, 나머지 에너지는 장치 안에서 열로 손실된다. 반도체의 투명성은 이들 광양자가 e-h 쌍을 생성하지 못함을 의미한다. 이것은 상당한 양의 적외선 스펙트럼을 배제시킨다. 이후의 손실 메커니즘은 빛에 민감한 e-h 쌍의 재결합이다. 그러나 이 변수의 영향은 반도체 물질에서 소수 담체의 긴 수명을 유지함으로써 최소화될 수 있기 때문에 이론적으로는 효율성 한계에 큰 영향을 미치지 않는다.

사진 3. 다공성 실리콘 세부내용. 지구상에서 가장 풍부한 원소 중 하나가 실리콘이지만 높은 에너지 소비 방법을 통해 전지 및 태양광 산업에서 사용되기 위해서는 실리콘도 반드시 일정한 공정을 거쳐야 한다.

효율성 손실 피하기

효율성을 극대화하기 위해서 아무 것도 입히지 않은 실리콘의 광 변환을 개선할 수 있는 층을 추가해 다른 방법으로 실리콘 취약성을 보완할 수 있다.

열중성자화 효율성 손실 공정을 줄이기 위해서는 하향식 변환(DC) 층을 실리콘 태양전지의 앞면에 입혀서 모든 고 에너지 광양자에 대해 하나의 저 에너지 광양자보다 많이 생산할 가능성을 갖게 하는 방법이 있다. 이 개념은 더 낮은 에너지의 광양자를 생산하는 밴드 갭 에너지와 함께 광양자를 사용하는 것이다. 하향식 변환기 층과 결합해 태양전지에서 비 집중 태양광에 대해서도 상당한 효율성 개선이 예측되었다. 38.6%라는 이론상의 최대 효율성은 비 집중 태양광과 중간 수준의 변환기에 대해서 얻어진 것인데, 이는 모든 1세대 태양전지에 대해 우리가 앞서 이미 언급한 쇼클리-쿠에이서 값에 비해 상당히 발전된 것이다.

사진 4. 수명. 소수 담체 수명 : 웨이퍼 품질 측정.

사진 5. 질감을 살린 실리콘 표면. 희토와 함께 도핑되는 다공성 실리콘 층은 비 반사 자질, 빛 변환 능력으로 인해 광선 추적, PV 업계에서 몇몇 연구들을 가능케 했다.

사진 6. 84K. IQE = 내부 양자 효율성 : 전지 품질 측정.

미래의 성공적인 결과

뿐만 아니라 상향식 변환 물질은 모든 두 개 이상의 저 에너지 광양자를 위해 하나의 고 에너지 광양자를 생성할 수 있다. 전통적인 양면 가공의 PV 태양전지의 뒷면에 배치했을 때 이 물질은 그렇지 않으면 장치를 통해 전달되는 하위 밴드 갭 광양자를 흡수함으로써 PV의 전반적인 효율성을 높이는 기능을 한다. 이러한 기능이 향상된 상향식 변환기와의 통합으로 태양전지에서는 비 집중 태양광에 대해 이론상으로는 47.6%까지 효율성 획득이 예상 가능하다.

이와 더불어 발광성의 하향식 이동(LDS) 층의 적용이 단파 광선에 대한 태양전지의 저조한 스텍트럼 반응을 개선하는 한 방법으로 제안되었다. LDS 층은 일반적으로 300~500nm의 스펙트럼 범위에서 광양자를 흡수하고 PV 장치가 높은 반응을 나타내는 장파 파장에서 이들을 재 방출한다.

게다가 선택적 방사체의 동시 형성은 그리드 접촉면 간의 가장 중요한 방사체 전지 부분을 다공성 실리콘(PS)으로 변환함으로써 가능해진다. 화학적인 에칭(이는 또한 스테인 에칭이라고도 한다)은 단순하고 저가이기 때문에 산업용 제작에서 많이 사용되고 있다. 이런 방식으로 PS는 상단의 방사체의 심하게 공정처리가 된 층을 제거할 뿐만 아니라 비 반사 코팅과 광 변환 층으로서도 기능한다. 이러한 저가의 손쉬운 열 도핑 기술의 장점에 기초해 희토 확산 공정은 태양전지 생산에도 손쉽게 이용될 수 있다. 희토 중에서도 Er3+ 이온은 약 1,535nm 주변의 근적외선에서 배출되기 때문에 큰 관심을 모으고 있다. Er3+ 이온의 발광 효율성은 Yb3+ 이온과 함께 도핑 함으로써 증대될 수 있다. 몇 사람의 저자들은 980nm에서 에르븀을 보이는 저조한 흡수 단면을 개선하기 위해 에르븀의 적절한 파트너로서 이테르븀을 언급한다. 또한 Er 이온의 자동 흡수와 OH- 이온의 존재 때문에 관찰된 담금질 효과는 이테르븀과 함께 도핑했을 때 감지되지 않았다.

PSL를 도핑할 때 주요한 문제는 고온에서 불분명하며 많은 집광과 긴 확산 시간을 요구하는 낮은 열 확산 계수이다. 이로 인해 공정은 어려운 작업이 되어 버린다. 그러나 잘 알려진 구조와 높은 표면구역 때문에 PS는 희토 이온에 의한 실리콘의 침투를 용이하게 하는 이상적인 매트릭스로 보인다.

이러한 기술이 결과적으로 나타나는 표면의 비 균질성(표면이 울퉁불퉁함) 때문에 광화작용 공정에 어려움을 증대시키지만 이런 상황은 화학적 처리를 통해 적절한 앞뒤 접촉이 이루어지는 도핑 공정 이후에는 상당히 줄어든다. 결국 이런 공정을 통해 크리스털 실리콘 태양 전지의 효율성을 높이는 더 높은 내부 양자 효율성이 얻어진다. 이러한 에너지 변환 공정은 또한 전지 앞면에 유리나 EVA에 적용했을 때 그리고 전지의 뒷면과 EVA에 적용했을 때 효과적인 것으로 증명이 되었다. 성공적인 결과가 예상되기 때문에 이런 종류에 대한 심층 연구가 이루어질 것이며, 이러한 연구개발을 통해 그리드 패리티(화석연료로 전력을 생산하는 비용과 태양광 발전 비용이 같아지는 시기)를 목표로 30%의 효율성 장벽을 극복할 수 있을 것이다.