<사진. 계산된 에너지 변환 효율이 약 45%인 상단 물질로서 알루미늄 갈륨 비소 안티모나이데를 사용한 인듐 인화물(InP) 기판 위의 삼중 접합 태양전지.
출처. KISTI 미리안>

다중 접합 태양 전지를 위한 새로운 물질 개발

미국 미네소타주에 위치한 SVT Associates 사의 연구진은 성장 조건을 최적화시켜 다층 구조 태양전지 디바이스를 제작하였다. 이들 연구진은 층 성장과 삼중 접합 태양 전지 디자인을 연구하여 에너지 효율을 크게 높일 수 있었다. 태양 빛을 전기로 변환시킬 수 있는 더 효율적인 광전지를 개발하기 위해서 많은 연구가 진행 중이다. 지금까지 가장 성능이 좋은 광전지는 다중 접합 태양전지이다. 이것은 몇 개의 다른 반도체 물질 층이 결합된 것이다.

각 층은 태양 스펙트럼의 더 좁은 영역을 더 높은 효율로 변환시킬 수 있도록 제작되었다. 보통 가장 넓은 밴드갭 물질이 다중 층 구조의 맨 상단에 놓인다. 입사되는 빛은 맨 먼저 이 상단의 물질층에 부딪힌다. 그러나 이런 다중층은 단지 정확한 밴드갭 에너지를 가져야 할 뿐만 아니라 열적 팽창, 기판, 그리고 제작 온도등 여러 변수와 상응해야 한다. 이런 조건에 맞추기 위해서 III-V 반도체가 더 자주 선택된다.

현재 사용되고 있는 III-V 다중 접합 태양 전지는 갈륨 비소 또는 게르마늄 기판 상에서 성장된다. 이것은 40% 이상의 변환 효율을 가지고 있다. 게르마늄 및 GaAs는 매우 비슷한 격자 상수를 가지고 있으며 이 물질은 이런 기판 상에서 성공적으로 성장될 수 있다. 그러나 이런 종류의 반도체는 이상적인 밴드갭 에너지를 가지지 않는다. 인듐 인화물(InP)은 또 다른 III-V 화합물 반도체 기판이지만 더 큰 격자 상수를 가지고 있다. 이것은 다른 물질을 태양 에너지 변환에 사용할 수 있는 가능성을 만들어준다. 지금까지, InP 기반 다중 접합 태양 전지에 관한 연구 논문이 없었다. 그렇지만 원하는 밴드갭을 가진 중간 및 바닥 접합을 위해 InP에 격자가 완벽히 일치하는 물질이 있다. 문제는 넓은 밴드갭을 가진 상단 접합 물질의 부족이다.

알루미늄 갈륨 비소 안티모나이데(Al1?xGaxAsySb1?y)는 상단 접합을 위한 유망한 물질이다. 그러나 이 물질을 이용한 태양전지에 대한 실험적 데이터가 존재하지 않는다. 이에 대한 이유는 혼성비가 InP의 격자 상수로 설정되면 이 물질에 대한 혼화성(miscibility) 갭이 존재하기 때문이다. 이런 혼화성 갭은 균일한 방법으로 그런 특정한 혼성비의 물질을 물리적으로 실현시키는 것이 극도로 어렵게 된다. 이들 연구진은 분자빔 에피탁시(MBE)로 디지털 혼합물 기술을 이용하여 이런 혼화성 갭 문제를 극복하였으며 태양 전지를 위한 Al1?xGaxAsySb1?y 물질을 성공적으로 성장시켰다. 이런 방법으로 AlGaSb와 AlGaAs가 반복적으로 성장되었으며, 이 결과 균일하게 성장된 혼합물 특성을 가진 물질이 만들어졌다.

AM0 조사 하에서 삼중 접합 태양전지에 대해서, 이상적인 상단 접합은 1.9 eV의 밴드갭 에너지를 가진 물질일 것이다. 이들 연구진은 먼저 이상적인 접합을 모델링하였다. 상단 접합에 의한 태양 흡수로부터 생산되는 예상된 전류의 양을 먼저 예측한 이후, 이들 연구진은 최적 성능을 위해 남은 두 접합에 대한 밴드갭을 계산하였다. 이 값은 중간 접합과 바닥 접합에 대해서 각각 ∼1.30eV 및 ∼0.82eV 였다. 이들의 모델링에 기반하여, AM0 하에서 이 디자인의 디바이스에 대한 이론적 효율은 45.1%였다.

상단 접합 물질로서 AlGaAsSb의 가능성을 시연하기 위해서, 이들 연구진은 단일 접합 테스트 시료를 만들었다. 이 시료를 이용하여 연구진은 몇 개의 태양전지를 만들었다. 이전에 언급된 혼합물은 흡수층으로 사용되었다. 첨부 그림 2는 제작된 전지에 대한 전형적인 전류-전압 측정 특성이다. 관측된 에너지 변환 효율은 반반사 코팅이 없을 경우 7.46%였다. 가장 높은 측정된 효율은 더 작은 디바이스 면적을 가진 하나의 전지에 대해 8.9%였다. 반반사 코팅을 사용할 경우 더 높은 효율이 예상된다.

전기 분석 결과는 입사되는 빛이 없을 때 흐르는 전류인 암흑 전류가 아직도 높고 채움 인자는 첨부 그림 2에 보이는 것과 같이 낮다는 것을 보여주었다. 그 이유는 부분적으로 최적화되지 않은 AlGaAsSb에 대한 성장 조건 때문이다. 이런 성장 조건이 주어졌을 때, Al1?xGaxAsySb1?y 태양 전지 디바이스의 초기 실험 결과가 고무적이었다. 이들 연구진은 이제 층 성장을 더욱 향상시키고 이 물질 시스템에서 삼중 접합 태양전지의 디자인을 더 향상시키는 연구를 수행하고 있다.

■ KISTI 미리안 http://mirian.kisti.re.kr