박 원 규 나노소자특화팹센터 소자개발1실장

화합물반도체인 GaAs 태양전지는 인공위성의 전원공급 장치로 개발되어 왔다. GaAs 태양전지는 GaInP, GaAs, Ge 등 서로 다른 밴드갭 물질을 사용해 삼중접합 구조를 형성함으로써 태양전지 파장 대역에서 최대한 빛을 흡수해 고효율·고성능의 태양전지를 구현할 수 있다. 삼중접합 구조의 태양전지에서 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 0.8eV인 Ge 기판으로 형성하는 p-n 접합이다. 삼중접합 구조는 이렇게 밴드갭 크기가 서로 다른 물질로써 태양광 스펙트럼 영역을 폭 넓게 흡수할 수 있어 단일접합 실리콘 태양전지에 비해 광전변환효율이 우수하다. 이러한 밴드갭 엔지니어링이 가능한 점이 화합물반도체 태양전지의 최대 장점이며, 반대로 공정이 복잡해져서 생산 단가가 높아지는 원인이기도 하다(그림 1, 2).

7~8년 전부터 GaAs 태양전지는 300~ 1,000배의 집광 렌즈를 사용함으로써 소요되는 반도체 재료 면적을 작게 할 수 있어 경제적으로 의미가 있는 지상용 발전 시스템으로서 활용되기 시작했다. 일반적으로 태양전지의 크기는 1×1cm, 0.5×0.5cm, 또는 그 이하로 작게 하고 그 위에 PMMA 수지나 유리로 된 집광 렌즈를 부착한 구조이다.

집광형 GaAs 태양전지 기술

집광형 화합물반도체 태양전지 기술에는 태양전지 효율에 직접 영향을 주는 전지의 설계 및 제조 기술 외에도, 집광에 연관해 렌즈 기술과 집광 시 발생하는 열을 방출하는 패키징 기술, 태양 추적기 기술이 요구된다. 집광에 의해 같은 면적의 전지에서 더 큰 전류를 얻어낼 수 있으므로 집광 렌즈를 약 1,000배 등으로 높이는 고집광 기술이 개발되고 있다. 화합물반도체 태양전지의 경우 수백배 이상 집광이 될수록 효율이 증가 되는 특성이 있다. 실리콘 태양전지의 경우 집광 20배 정도까지만 효율이 증가한다.

화합물반도체 에피층 성장에는 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치가 사용된다. 이는 LED 제조에도 널리 쓰이는 에피 성장 장비이다. 밴드갭 크기를 조절하기 위해 화합물반도체 에피층 성장 시 원료 가스의 종류와 비율을 공정 변수로 해서 조성을 변화시킨다. 상부 전지, 중앙부 전지, 하부 전지간의 연결에도 MOCVD를 이용해 성장한 에피층에 높은 농도로 도핑해 얻은 터널접합을 적용한다.

국내외 기술 동향

전 세계 태양전지 시장의 80% 이상을 결정질 태양전지가 차지하고 있고, 10% 정도는 박막 태양전지가 차지하고 있으며, 나머지 시장은 집광형 태양전지(CPV) 를 비롯한 차세대 태양전지들이 차지하고 있다. 집광형 GaAs 태양전지 시장규모는 2010년 20MW에서 2015년 1,500MW까지 설치 용량이 증가할 것으로 전망되고 있다(그림 3).

집광형 태양전지 시장이 급격히 성장하는 배경에는 GaAs 셀 제조의 대량 생산화와 더불어 집광에 필요한 광학계 및 태양광 추적 트랙커의 가격 하락이 큰 몫을 하고 있다.

스트래티지 애널리틱스(Strategy Analytics)사에서 예측한 태양전지별 경제성 분석(LCOE: Levelized Cost of Electricity) 비교에 의하면 2015년에는 집광형 태양전지가 실리콘 태양전지나 박막 태양전지 대비 우월한 것으로 나타나 있다.

미국의 경우 GaAs 태양전지는 연구개발 단계에서 상용화 단계로 진입했다. 상용화에 나선 미국의 대표적인 기업은 보잉사의 자회사인 스펙트로랩(Spectrolab)과 엠코어가 있다. 스펙트로랩의 경우 상용화된 셀의 효율이 38.5%에 달해 GaAs 태양전지 발전 시스템 보급에 중요한 역할을 하고 있다.

교효율화 연구에 있어서는 미국의 신재생에너지 연구소 NREL과 독일의 프라운호퍼연구소(Fraunhofer ISE), 일본의 도요타기술연구소(Toyota Institute of Technology) 등이 InGaP/InGaAs/Ge의 삼중접합 구조 태양전지 기술 분야에서 선두 각축을 벌이고 있다. 독일에서 개발된 셀의 경우 집광 시 41.1%의 고효율을 나타낸다. 기업측에서 개발한 최고 효율은 스펙트로랩의 41.6%이다.

이러한 셀을 받아서 집광형 태양전지 패널을 제작 공급하는 대표적인 회사로는 미국의 아모닉스(Amonix)와 독일의 콘센트릭스솔라(Concentrix Solar) 두 회사가 대표적이다. 아모닉스의 경우는 2010년에 서던캘리포니아에디슨(Southern California Edison) 전력 회사로부터 28.5MW의 집광형 태양전지 발전소 건립을 수주 받기도 했다.

일본도 화합물반도체 태양전지 연구 역사가 30년을 넘고 있으며, 샤프(Sharp), 다이도 스틸(Daido Steel)이 컨소시엄으로 NEDO 프로젝트를 수행해 InGaP/ InGaAs/Ge 삼중접합 태양전지에서 효율 38.9%를 달성했다.

국내에서는 한국전자통신연구원(ETRI), 한국과학기술연구원(KIST)이 10년 이상 이 분야 기초연구를 지속해 왔으며, 최근에는 아주대학교, 광주과학기술원, 서울대학교, 나노소자특화팹센터 등이 참여하고 있다. 아주대학교는 나노소자특화팹센터와 공동으로 집광형 GaAs 태양전지 발전 시스템의 테스트 베드를 운영해 지역 업체들의 집광형 태양전지 개발을 지원하고 있다(그림 4).

국내 기술개발 성과

나노소자특화팹센터는 최근 자체 제작한 InGaP/GaAs 이중접합 구조의 태양전지(비집광 효율 28.08%) 연구결과를 결정성장학회에 발표했으며, 삼중접합 태양전지를 17배 집광해 효율 30.02%를 넘기는 실적을 달성했다. 고집광 시 다중접합에 필요한 터널접합의 개선을 통해 향후 500배 집광 시 효율 35%를 목표로 개발 중이다(그림 5, 6).

삼중접합 태양전지는 Ge 기판을 이용하고 하부 전지로서 Ge p-n 접합, 그 위에 버퍼층, 터널 접합으로서 GaAs p-n 접합, 중간 전지 GaAs p-n 접합, 터널접합으로서 GaAs p-n 접합, 상부 전지로서 InGaP p-n 접합, AlInP 창층 순서로 형성한다. 에피층의 물성은 그 후에 성장되는 층들의 성장 온도에 영향을 받고 도핑 성분의 확산 등에 의해 태양전지 전체의 성능에 영향을 미치며, 기판으로 사용되는 Ge 웨이퍼의 기판 절단 경사도가 그 위에 형성되는 에피층의 도메인 형성 여부를 좌우해 에피층 내 결함 생성에 영향을 미치고 태양전지 효율에도 최종적으로 영향을 미친다. 상부 전지와 하부 전지를 연결하는 터널 접합에 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 평가해 구한다. 집광형 태양전지의 효율 측정을 위해서는 별도의 집광 렌즈를 부착한 태양광 모사 조명장치가 필요하고 냉각 장치, 고전류 측정장치가 필요하며, 삼중접합 특성을 접합별로 정확히 분리해 평가하기 위한 양자효율 특성 평가 장치도 필요하다.

향후 전망

고성능 GaAs 태양전지는 위성용에서 지상용 발전 시스템으로서 다른 태양전지 발전에 비해 손색이 없을 만큼 기술이 안정화, 저가격화 되어가고 있다. 그러나 아직 IT 분야에 융합기술로서 활용되지 못하고 있는데, 이는 사용되는 기판 크기가 4인치 Ge 기판에 한정되고 있기 때문이다. 따라서 GaAs on Si 신기술이 개발되면 향후 8인치나 12인치 Si 기판을 사용하는 대구경 웨이퍼 라인에서 생산이 가능하게 되어 저가격화는 물론이고 IT 기기에 부착해 사용할 수 있는 보조 전원으로서 역할을 할 수 있게 된다. 이를 위해서 GaAs를 Si 위에서 결정 결함을 제어하면서 성장해 효율의 저하를 최소화하는 것이 핵심 기술이다. IT 기기 분야에서 고성능 태양전지를 활용한다면 태양전지 활용의 지평의 확장에 우리나라가 선도할 수 있다고 본다(그림 7).

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