[논문]차세대 고효율 태양전지 기술 동향

한원석; 김현수; 최병석; 오대곤

doi:10.22648/etri.2007.j.220509

차세대 고효율 태양전지 기술 동향
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한원석 (차세대광전소자팀) , 김현수 (차세대광전소자팀) , 최병석 (차세대광전소자팀) , 오대곤 (광소자그룹)

최근까지 태양전지 기술 개발 방향은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지 개발 연구가 진행되어 왔다. 태양전지의 발전단가를 낮추기 위하여 저가로 대량 생산이 가능하도록 다양한 물질과 공정이 개발되었지만, 변환 효율이 낮아 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 또한 변환 효율 향상을 위한 연구는 과거에는 변환 효율이 높은 물질을 찾기 위해 다양한 시도가 이루어졌으며, 현재는 물질 합성과 적층 구조 등을 이용하여 광흡수 대역을 넓혀 변환 효율을 높이는 데 주력하고 있다. 최근에는 양자점과 나노 기술을 이용하여 기존의 광전 변환 메커니즘의 비효율성을 개선한 신개념의 MEG 태양전지에 대한 연구 개발이 추진되고 있다.

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문제 정의

있다. 그러나 효율이 높아 지상용 에너지원으로 사용하기 위해 집광장치 (concentrator)와 ⅢV 화합물 반도체 태양전지를 결합하여 제조 단가문제를 해결하고자 연구 개발하고 있다. 집광형 태양전지는 (그림 10)과 같이 태양광을 렌즈나 거울 등을 이용하여 넓은 면적의 태양광을 작은 면적의 태양전지에 빛을 모으는 방법을 사용한다.

성능/효과

그 후 다소 둔화되다가 1970년 에너지 위기에 직면하면서 미국 정부와 산업계에서 지상용 전력으로 본격적으로 도입이 시도되었으며, 1980년대에는 단결정 실리콘 태양전지 제조 기술의 급격한 발전으로 광변환 효율이 20%에 이르렀다. 그 후 태양전지는 효율 향상과 대면적화, 대량 생산화 되면서 생산 단가가 계속 낮아져 산업화에 성공하였다. 현재 태양전지 산업의 90%를 실리콘 태양전지가 차지하고 있지만 2000년 이후 실리콘 태양전지의 효율이 한계치에 도달하고, 갑작스러운 수요 증가로 실리콘 원재료 및 실리콘 기판 수급 문제가 발생하여 태양전지 제조 단가가 상승하게 됨으로써, 태양전지는 제조 단가 절감과 효율 향상 문제 이외에도 원자재 수급 등을 해결해야 하는 문제가 생겼다.
7%를 얻었다. 또한 4중 접합 이상의 접합 태양전지는 이론적으로 최대 59% 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. [3].
태양에너지에 대한 관심이 집중되면서 태양전지에 대한 수요가 급증하였지만, 실리콘 태양전지 생산을 위한 실리콘 원재료와 기판 공급 부족 현상이 나타나고 또한, 기존 화석 에너지나 다른 재생에너지에 비해 발전 단가가 높은 문제로 인하여 보다 효율이 높고 대량생산에 적합한 태양전지가 필요하게 되었다. 그동안 높은 제작 단가로 인하여 인공위성과 같은 특수 용도로만 사용되던 iii-v 화합물 반도체 태양전지가 고집광 장치와 결합하여 발전 단가를 실리콘 태양전지 수준으로 낮출 수 있는 기술이 개발됨으로써 지상용 에너지원으로 부각되고 있다.
[4]. 태양의 빛에너지를 보다 효율적으로 전기에너지로 전환이 가능함으로써 3세대 태양전지는 획기적으로 효율을 증가시킬 수 있을 것이다. 현재 양자점과 나노 입자 등을 이용한 MEG 태양전지 연구가 진행되고 있으나 아직까지 이론적 가능성만을 보여주고 있는 상태이다 [5].
그동안 높은 제작 단가로 인하여 인공위성과 같은 특수 용도로만 사용되던 iii-v 화합물 반도체 태양전지가 고집광 장치와 결합하여 발전 단가를 실리콘 태양전지 수준으로 낮출 수 있는 기술이 개발됨으로써 지상용 에너지원으로 부각되고 있다. 현재 집광형 iii-v 화합물 반도체 태양전지의 최고 효율은 40.7%를 달성하였고, 매년 1%씩 효율 증가를 예상하고 있으며, 2009년에는 45% 효율을 달성할 것으로 예상되며 가까운 시일 내에 집광형 Ⅲ-V 화합물 반도체 태양전지가 미래 에너지원으로 자리를 잡을 것으로 예상된다. 또한 양자점이나 나노입자 등을 이용하여 기존 태양전지의 광전 변환 메커니즘을 대폭 개선한 3세대 MEG 태양전지는 실내 조명등만으로도 저전력 디지털 기기의 전원으로 사용이 가능할 것으로 예상된다.

후속연구

7%를 달성하였고, 매년 1%씩 효율 증가를 예상하고 있으며, 2009년에는 45% 효율을 달성할 것으로 예상되며 가까운 시일 내에 집광형 Ⅲ-V 화합물 반도체 태양전지가 미래 에너지원으로 자리를 잡을 것으로 예상된다. 또한 양자점이나 나노입자 등을 이용하여 기존 태양전지의 광전 변환 메커니즘을 대폭 개선한 3세대 MEG 태양전지는 실내 조명등만으로도 저전력 디지털 기기의 전원으로 사용이 가능할 것으로 예상된다.
그러나, 미국에서는 DARPA 프로젝트를 통해 2005년 11월부터 530억 원을 투자하여 효율 50% 이상인 초고효율 태양전지 개발프로그램을 진행중이며, (그림 6)과 같은 파장 분리형을 사용할 예정이다. 파장 분리형에 집광 장치를 결합한 초박형 집광 태양전지는 차세대 모바일 기기의 보조 전원으로 사용 가능할 것이다.

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