■Ⅲ-V 화합물 반도체 태양전지, 효율 증가 ‘No1’

현재 전 세계적으로 한정된 천연 화석 연료의 고갈로 인한 유가 상승과 지구 온난화 등의 영향으로 여러 가지 신재생 에너지, 그 중에서도 특히 태양전지를 이용한 에너지 재생 분야에 대한 관심이 매우 커지고 있다.

현재 연구 개발 및 상용화가 진행 중인 여러 가지 태양전지의 효율 증가 추세를 살펴보면(그림 1), III-V 화합물 반도체 태양전지가 효율이 가장 높고, 이러한 효율 증가 추세는 당분간 지속될 것으로 예상된다.

그 다음으로는 결정질 실리콘, 다결정 실리콘 및 CIGS, 염료감응, 유기 태양전지 등이 위치해 있다. 따라서 크게 나누어 보면 III-V 화합물 반도체 태양전지는 고효율화를 지속적으로 추구하고, 기타 태양전지들은 저가화 방향으로 연구개발이 주로 진행될 것으로 예상된다.

■광 흡수율 높은 III-V 화합물 반도체 태양전지

III-V 화합물 반도체 태양전지는 기존에 가장 잘 알려진 실리콘 태양전지에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 그 중에서도 특히 광 흡수율이 높은 것이 장점이다.

따라서 실리콘 태양전지 보다 활성층의 두께가 얇아도 태양전지에 입사되는 태양에너지를 더 잘 흡수할 수 있다.

그 이외에도 여러 개의 다양한 밴드갭을 갖는 재료들을 다층으로 쌓는 다중접합 구조의 성장이 가능해 태양스펙트럼을 효율적으로 이용할 수 있다.

또한 고온 특성이 우수하고, 집광비가 500 배 이상으로 증가해도 집광비가 1인 one sun(100mW/cm2)에서 보다 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 광전 변환 효율이 오히려 더 커지는 특성이 있어서 고배율의 집광형 태양광 발전 시스템에 가장 적합하다.

III-V 화합물 반도체 태양전지는 현재 가장 많이 보급되어있는 실리콘에 비해 광전 변환 효율이 약 2배 정도 이므로, 500배로 집광을 하는 경우에는 태양전지를 1/1000 만 사용해도 된다.

이에 실제로 사용되는 태양전지 칩의 크기가 매우 작아서 시스템의 가격에는 영향이 거의 없고, 모듈을 대량으로 생산하는 경우 실리콘 시스템 보다 오히려 더 저가로 공급할 수 있다.

그러나 III-V 화합물 반도체 태양전지는 기판으로 사용하는 갈륨비소(GaAs) 등의 원자재 가격이 비싸고, 고가격의 반도체 에피층 증착 장비인 MOCVD 나 MBE를 사용하므로 제조단가가 높아서 지금까지는 주로 인공위성용 태양전지 등 특수한 용도로만 그 사용이 제한돼 왔다.

그러나 최근 40% 이상(40.7%, 미국 Spectrolab, 40.8%, 미국 NREL, 41.1%, 독일 Fraunhofer ISE)의 높은 광전 변환 효율을 갖는 고효율 III-V 화합물 반도체 태양전지가 개발됐다.

또한 500배 이상의 고배율 집광장치를 사용해 태양전지 모듈의 가격 비중이 많이 낮아짐에 따라 시장에서 단결정 실리콘 태양전지 모듈 및 시스템과 경쟁할 수 있는 수준이 됐다.

▲ <그림1>전 세계 여러 가지 태양전지 효율 발전 동향.

■고효율의 태양전지 개발 순서

고효율의 태양전지를 개발하기 위해서는, 먼저 여러 가지 반도체 재료 및 밴드갭을 조합하여 가장 높은 효율을 얻기 위한 구조를 이론적으로 계산 한다.

그 다음으로는 곡률분광측정기(spectroscopic ellipsometry) 등의 장비를 사용하여 선정된 재료에 대하여 파장의 함수로 측정된 여러 가지 광특성들을 측정 한다.

또한 태양전지 표면위에 태양광이 입사될 때 반사로 인하여 손실되는 부분을 최소로 만들기 위해 반사방지막 코팅(antireflection coating; AR coating) 이 사용되는데, 이 경우에도 각각 광학박막의 정확한 두께뿐만 아니라 단일 광학박막 또는 다층 광학 박막의 정확한 광학적 특성 및 반사율 등을 측정한다.

III-V 화합물 반도체 재료 및 소자 구조의 성장을 위해서 주로 GaAs 기판이 많이 사용된다. 밴드갭이 더 작은 장파장 영역의 태양전지를 도입하고, 또한 격자가 잘 정합되며 가볍고도 강한 다중접합 태양전지 구조를 제작하기 위해서는 게르마늄(Ge) 재료가 기판으로 사용된다.

GaAs나 Ge 등의 반도체 기판위에 반도체 재료나 소자구조를 성장할 경우 기판의 격자상수와 거의 유사한 격자상수를 갖는 재료를 선정하는 것이 매우 중요하다.

성장하려는 에피층과 기판의 격자상수가 많이 다를 경우 격자상수의 차이로 인하여 성장된 박막에 스트레인이 인가되거나 더 심한 경우에는 전위(dislocation)가 에피층 내부에서 생성된다.

그 결과 성장된 에피층의 전기 및 광학적 특성이 현저하게 나빠져서 태양전지의 특성도 나빠지게 된다.

III-V 화합물 반도체 태양전지 光변환 효율 40% 이상…실리콘 2배
KIST, 집광형 III-V 태양전지 모듈 개발에 매진 중

▲ <그림2> 프레넬 렌즈를 사용한 태양전지 모듈의 개요도.

■프레넬 렌즈를 사용한 집광형 태양전지 모듈

그림 2는 집광형 태양전지 시스템에서 주로 많이 사용하는 집광 시스템의 핵심 모듈 부분이다. 집광형 III-V 태양전지 모듈은 국내에서는 현재 개발 초기 단계이다.

한국과학기술연구원(KIST), 수원 나노 특화팹, 한국전자통신연구원(ETRI), 한국광기술원 등에서 III-V 태양전지 소자를 개발 중이고, 집광형 모듈은 KIST에서 주로 개발하고 있다.

집광형 태양전지 모듈은 그림 3에서 보듯 프레넬 렌즈, 2차 집광기, 태양전지 및 방열판 등으로 구성돼 있다.

태양광 집광용 렌즈로는 프레넬 렌즈가 주로 사용되고 있는데, 몰드를 사용하여 대량으로 성형 가공할 경우 대량생산에 적합하고, 가격이 매우 낮고, 가공시간이 짧은 장점이 있기 때문이다.

프레넬 렌즈를 이용하여 모아진 빛은 중심 부분이 가장 밝고, 주변으로 갈수록 종 모양 곡선의 형태로 빛이 약해진다.

그런데 태양전지는 반도체 기판의 특성 때문에 주로 사각형 형태로 되어있고, 태양전지 표면 전체에 광이 균일하게 분포하는 것이 더 좋으므로 2차 렌즈를 사용하게 된다.

▲ <그림3> 스페인 푸에르톨라노의 ISFOC에서 실증테스트가 진행 중인 여러 회사들의 집광형 태양전지 시스템.

■각국 집광형 태양전지시스템 상용화 경쟁 중

그림 3은 현재 스페인 Puertollano의 ISFOC 테스트 사이트에서 시험 중인 세계 여러 나라 회사들의 III-V 화합물반도체 태양전지 시스템들이다.

주로 미국, 독일, 스페인, 대만 등에서 참여해 실증 테스트가 진행 중이다.

현재 상용화가 진행 중인 몇 가지 프로젝트들을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 스페인의 Puertollano의 ISFOC 테스트 사이트에서 총 800 kW 급의 III-V 집광 시스템들이 현재 1단계 시험 가동 중이다. 참여 업체로는 미국의 Solfocus (200kW), 독일의 Concentrix 사 (200kW) 그리고 스페인의 Isofoton 사 (400kW) 가 시험에 참여하고 있다.

또한 2단계(2nd phase) 로 대만의 Arima ECO (300kW), 미국 Emcore (300kW), 스페인 Sol3g (400kW) 그리고 스페인의 CSLM 사에서 300 kW 급 등 총 1.3 MW의 실증 테스트 사업이 추가로 진행 중이다.

일본에서는 NEDO 프로젝트를 통하여 Sharp, Daido Steel, Toyota 등의 기업을 중심으로 초고효율 태양전지 개발 및 시스템 신뢰성 테스트 연구를 수행 중이다. 2010년까지의 개발목표로는 셀 효율 40 %, 모듈효율 28 % 및 모듈가격 100엔/W 등이다.

호주의 Solar Systems 사에서는 Victoria Project 를 시작하였다.

프로젝트 기간은 2007년 부터 2013년 까지이고, 154 MW, Large Power Plant (4억2,000달러 규모)를 세우는 프로젝트이다. III-V 다중접합 태양전지 모듈은 Spectrolab (x500)으로부터 공급 받고, Concentrator는 Heliostat (대형 거울 어셈블리) 형을 사용한다.

프로젝트가 끝나면, 연간 270GWh 전력을 생산하고 약 4만5,000가구에 전력 공급이 가능할 것으로 예상된다.

▲ <그림4> KIST에서 현재 개발 중인 중앙 집광형 태양전지 모듈.

■국내 집광형 태양전지 모듈·시스템 개발동향

국내에서도 현재 집광형 태양전지 모듈 및 시스템에 대한 관심이 많아지고 있는 실정이다.

(주) 코아옵틱스와 (주)애니캐스팅 등에서 집광형 태양전지 모듈에 적용할 목적으로 현재 여러 가지 프레넬 렌즈를 개발 중에 있다.

그리고 그동안 다른 용도를 목표로 프레넬 렌즈를 개발한 여러 업체들도 이 분야에 뛰어들 수 있다고 사료된다.

2차 집광기 및 렌즈에 관해서도 그동안 LED 용으로 렌즈 및 집광기를 개발한 경험이 있는 회사들은 비교적 용이하게 집광형 태양전지용 2차 집광기도 개발 할 것으로 기대된다.

또한 집광형 시스템 분야도 최근 들어 매우 활성화되고 있는 동향을 보인다.

목포 대불공단에 입주해있는 에이티에스 파이론(주)에서는 수면을 활용한 효율적인 냉각 및 저에너지 소비형 트래커 등의 기술을 사용하여 집광형 모듈을 생산 중이고, 전남도청 앞에 시험단지를 설치하고 집광형 태양전지 시스템을 시범 운전하고 있는 중이다.

이 외에도 2-3개의 중소기업에서 집광형 태양광 시스템을 개발 및 생산 중인 것으로 알려져 있다.

그림 4는 KIST에서 개발 중인 집광형 태양전지 모듈의 사진이다. 이 모듈은 실외에서 약 20W 정도의 출력을 얻을 수 있고, PMP(휴대용 멀티미디어 플레이어)를 작동 시킬 수 있다.