[에너지] 태양전지 효율 25% 벽 넘다 에너지식량

yh20140411Panasonic_board_350px.jpg » 일본 파나소닉이 개발한 HIT태양전지. 에너지효율 25%의 기술 벽을 넘겼다. 파나소닉 제공.

 

일 파나소닉, 25.6% 효율 달성

크기도 143.7㎠로 실용성 갖춰

 

에너지효율 25%의 태양전지가 탄생했다. 일본 파나소닉은 실리콘계 태양전지인 ‘HIT(heterojunction with intrinsic thin layer)태양전지’가 변환효율 25%를 넘겼다고 발표했다. 이 회사의 종전 최고 효율은 지난해 2월에 발표한 24.7%였다. 이 기록은 이 회사가 실용 크기라고 주장하는 100㎠를 넘은 101.8㎠에서 실현한 것이다. 이번 신기록은 143.7㎠에서 실현되었다. 태양전지는 면적이 클수록 높은 변환효율에 도달하기 어렵다. 15년 전 호주 뉴사우스웨일즈대에서 25.0% 효율의 실리콘계 태양전지를 개발한 적이 있으나 당시 태양전지 셀의 면적은 4㎠에 불과했다.

  25.6%라는 변환효율은 태양전지 중에서 어떤 위치에 있는 것일까. 미국 NREL(국립재생가능에너지연구소)이 2014년 3월19일에 발표한 각종 변환효율 기록에서 1998년 이후 것을 추려내 비교해봤다.
 기록을 보면, 복수의 발전층을 갖춘 방식 및 GaAs(갈륨비소) 등 소형 셀에서 고효율 전지를 볼 수 있다. 이것은 지붕 설치 용도 및 메가솔라 용도보다는 인공위성에 탑재하거나 렌즈 및 빛을 모아 발전하는 시스템용 태양전지이다.

 

yh20140411Panasonic_efficiencies_590px.jpg » (그림 1) 각종 방식의 태양전지 변환효율의 추이. 출처:NREL. itmedia.co.jp서 재인용.


 <그림 1>에 결정실리콘계(청색)와 박막계(녹색)를 주로 나타냈다. 27.6%는 단결정 실리콘 태양전지에 빛을 모은 것(집광형)이다. 25.0%가 뉴사우스웨일즈대학(UNSW)의 소면적 셀의 기록이고, 24.7%가 종래 HIT이다. 그 아래 실리콘을 사용하지 않는 집광형 CIGS, 통상적인 CIGS, CdTe와 실리콘 다결정(20.4%)과 박막 실리콘(20.1%)이 제시되었다. 옥상 설치용 등으로 사용하는 태양전지는 지금까지 HIT가 가장 효율이 좋다. 실리콘계에서는 HIT와 박막 실리콘 이외에 최근 기록갱신이 없다.
 HIT 태양전지의 변환효율을 높인 이번 기술 개발은 크게 세 가지다. (1) 태양광에 의해 생성된 전자가 재결합하여 손실되지 않도록 하는 기술, (2) 태양전지 표면에 그림자가 생기지 않도록 하는 기술, (3) 태양전지 자체의 전기저항을 낮춰 손실을 줄이는 기술이다.
 이번 개발에서는 HIT 태양전지의 구조 자체가 변화되었다. 그림 2의 좌측은 단결정 실리콘 태양전지 셀의 단면도이다. 미량의 불순물을 포함한 실리콘의 잉곳을 얇게 자른 웨이퍼를 만들고 표면에 전자가 많이 존재하도록 별도의 불순물을 도핑한다. “p형 c-Si”가 웨이퍼, “n형”이 도핑한 부분이다. 태양전지의 동작에 반드시 필요한 pn 접합을 만들기 위한 구조를 채용하고 있다. 그 후 표면(상)과 뒷면(하)에 황색 기둥으로 표시한 전극을 인쇄하여 전류를 보낸다. 900도는 공정온도이다.
 

yh20140411Panasonic_old_structure_590px.jpg » (그림 2) 단결정 실리콘 태양전지의 구조(좌)와 종래 HIT 태양전지의 구조(우). itmedia.co.jp.

 

<그림 2>의 우측이 종래 HIT 태양전지 셀의 구조이다. “n형 c-Si”가 웨이퍼에 유래하는 부분이다. 그 윗면과 아래면에 결정구조를 갖지 않은 아모퍼스 실리콘막(a-Si)을 형성하고 있다. 하늘색으로 표시한 층은 빛을 통과시키는 투명전도막이다. 표면 전극과 뒷면 전극은 단결정 실리콘 태양전지와 동일하다. 200도는 아모퍼스 실리콘 막의 형성온도이다. 제조시에 고온이 되지 않기 때문에 웨이퍼에 유래하는 부분의 품질 노화가 발생하지 않는다.
 HIT 태양전지는 많은 전류를 만들 수 있는 단결정 실리콘과 높은 전압을 만들 수 있는 아모퍼스 실리콘을 조합시킨 태양전지이다. 아모퍼스 실리콘의 부분에는 “p형/i형” 및 “i형/n형”이 있다. HIT 태양전지의 높은 성능을 가능케 하는 한 가지 특징이 “i형”이다. I형층은 과잉의 전자가 있는 n형 및 과잉의 정공이 있는 p형과 달리 전자 및 정공 모두 적다. 태양광이 실리콘 원자에 접촉하여 발생한 전자 및 정공은 전류가 된다. 전자와 정공이 그 자리에서 결합되면 열이 되어 전류가 손실된다. I형층을 삽입함으로써 이것을 억제할 수 있다.
 종래의 HIT 태양전지 셀은 이종물질을 접합시킨 헤테로 결합이 표면과 뒷면 두 군데 있기 때문에 더블 헤테로접합이라고 한다. HIT 태양전지 셀이 뒷면에서 입사하는 반사광 및 산란광을 발전에 이용할 수 있기 때문이다. 25.6%를 실현한 기술 중 (1)은 이 I형층 주변을 개선한 것이다. 단결정 실리콘 웨이퍼에 고품질의 아모퍼스 실리콘막을 제조하였다. 이 때 웨이퍼 표면에의 손상을 억제하는 기술을 실현하였다.
 기술(1)의 효과는 온도계수로 나타난다. 태양전지는 온도(기온)가 높아질수록 변환효율이 내려가는 성질이 있다. 파나소닉에 의하면 일반적인 실리콘 태양전지 셀의 온도계수는 ?0.4%/도~-0.5%/도라고 한다. 종래 HIT 태양전지 셀에서는 ?0.29%/도이었다. 신개발 셀에서는 ?0.25%/도로 낮아졌다. HIT 태양전지는 원래 고온이 되더라도 변환효율이 잘 내려가지 않는다.
 기술(2)는 HIT 태양전지의 구조 자체를 변화시켜 실현하였다. 전력을 만들어 내는 방식 자체는 변하지 않았지만, 표면(윗면)에 전극이 없고 모두 뒷면에 모여 있다. 표면에 전극이 있으면 전극부분에 접촉한 빛은 발전에 기여하지 않는다. 태양전지가 만들어 내는 전자의 수가 감소한다. 변환효율이 24.7%인 셀에서 만들어 낼 수 있는 최대 전류밀도가 39.5mA/cm2이었지만, 이것을 41.8mA/cm2로 개선할 수 있었다.
 

yh20140411Panasonic_structure_590px.jpg » (그림 3) 일 파나소닉이 이번에 개발한 태양전지 셀의 구조.

 

<그림 3>의 파란색 부분은 빛의 간섭을 이용한 반사방지막이며 페시베이션(Passivation)층은 전자와 정공의 재결합을 방지하는 실리콘 웨이퍼 표면의 불활성막이다. 단결정 실리콘 부분은 동일하다. “Cz”는 단결정 실리콘을 제조하는 방법을 나타내고 “Textured”는 실리콘 표면에 아주 미세한 굴곡 구조를 만들어, 빛의 반사방향을 변화시키고, 실리콘 내부에 들어온 빛의 양을 증가시킨다. 반사방지막 및 Textured는 일반적인 기술이다.
 기술(3)은 기술(2)에서 나온 것이다. 태양전지 셀에 표면전극을 사용하는 경우 전극의 그림자를 줄이기 위해 전선의 두께를 가능한 한 얇게 한다. 전선 재료를 바꾸지 않고 가늘게 하면, 전기저항이 증가한다. 그러면 태양전지가 만들어 낸 전력이 쓸모없어진다. 전극이 너무 두껍거나 얇아도 전력이 감소되지만 최적화는 어렵다. 이번 신구조에서는 전극을 뒷면에 설치함으로써 충분한 두께를 확보할 수 있었으며, 전기저항을 감소시킬 수 있었다.
 종래 HIT 태양전지 중 가장 성능이 높은 제품의 변환효율은 22.0%이다. 22.0%라는 수치는 셀 변환효율 24.7%의 기술을 모두 적용한 것이 아니다. 이번 기술을 적용한 경우 23% 정도의 제품 개발이 가능하다.

yh20140411Panasonic_oldcell_242px.gif » 종래의 태양전지 겉모습. 이번에 개발된 전지와 달리, 표면전극이 찍혀 있다. 파나소닉 제공.

 
출처
http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=6731&cont_cd=GN 
KISTI 미리안 2014-04-15     
원문

http://www.itmedia.co.jp/smartjapan/articles/1404/11/news062.html

 


곽노필 한겨레신문 선임기자 nopil@hani.co.kr
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