프라운호퍼 연구소, 다중접합 태양전지의 경이적 광전변환효율 39.7% 달성
독일 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems, Fraunhofer ISE)의 연구자들이 다중접합(multi-junction) 태양전지에 대해 자신들이 불과 얼마 전에 달성했던 효율 37.6%의 기록을 깨고 39.7%라는 경이적인 기록을 달성했다. III-V 반도체 다중접합 태양전지는 태양광 발전소의 광전지 집광장치 기술에 사용되고 있다.
Fraunhofer ISE의 III-V Epitaxy and Solar Cells Group의 책임자인 Frank Dimroth는 태양전지의 접촉구조를 향상시킴으로써 동일한 반도체 구조를 사용하면서 더 높은 광전변환 효율을 얻었다고 말한다.
광전지 집광판 시스템에 활용하기 위해서는 다중접합 태양전지의 최적집광비(concentration factor)가300 ~ 600 suns을 달성해야 한다.
전면의 금속배선(metallization)에 따라 다양한 집광비의 차이가 나타난다. 전면 그리드(grid)에서 전류는 얇은 와이어 네트워크(그림 1)를 통해 태양전지의 중앙부로부터 가장자리로 전도되며, 이는 50㎛ 금 와이어에 의해 수집된다. 특히 집광에서 이 금속 네트워크의 구조는 결정적인 역할을 한다.
그래서 우선 금속 와이어는 집광된 빛에 의해 발생되는 대전류를 낮은 저항으로 수송할 수 있을 만큼 충분히 커야 한다. 또 태양광은 금속을 통과할 수 없어서 금속이 덮고 있는 셀(cell) 면적이 전기 변환에 사용될 수 없기 때문에, 와이어들은 가능한 작아야 한다.
Fraunhofer ISE에서는 지난 2년간 최적 접촉 구조의 이론적 계산에 대한 새로운 프로그램이 수행되고있다. EU Project Fullspectrum(SES6-CT-2003-502620)에 지원을 받은 이 연구에 기초해 이번의 기록적인 효율을 달성한 태양전지가 개발되었다. 이 전지는 집광의 경우와 같이 비균질 방사(inhomogeneous radiation)의 상황에 특히 적합하다.이 태양전지는 Fraunhofer ISE와 스핀오프 기업인 Cocentrix Solar사의 FLATCON 집광기 모듈에 설치되어 있다.
10여년 이상 Fraunhofer ISE의 연구자들은 최고 효율을 갖는 다중접합 태양전지를 개발해왔으며, 그중에서도 이론적으로 고효율 잠재력을 갖고 있는 Ga0.35In0.65P, Ga0.83In0.17As 및 Ge로부터 제조되는 소위 격자부정합(metamorphic) 3중접합(triple-junction) 태양전지에 집중했다.
이 태양전지 구조는 유기금속기상성장법(metal-organic vapourphase epitaxy, MOVPE)에 의해게르마늄 기판에 증착된 30개 이상의 단일층들로 구성된다. 오늘날 그러한 다중접합 III-V 반도체 태양전지는 분명히 세계적으로 최고 변환효율을 달성하고 있다. 그러나 재료비 및 제조비가 고가이기 때문에 단지 광전지 집광 시스템과 우주에서만 사용되고 있다.
KISTI Nanoweekly /Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ise.fhg.de)2008.09.22
