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프랑스 Soitec와 CEA-Leti, 독일 Fraunhofer ISE는 공동으로 집광형 태양광발전에 도움이 되는 태양전지 셀의 변환효율이 46%에 도달하였다고 발표하였다. Soitec은 집광형 태양전지 모듈 제품을 이미 양산하고 있으며, 이번 기술을 순차적으로 제품화할 계획이다.

변환효율 46.0%는 태양전지 셀의 세계 기록이다. 46.0%라는 기록은 프레넬렌즈(Fresnel lens)를 이용하여 태양광을 508배, 집광한 경우의 변환효율이다. 집광형 태양광발전(CPV)에 이용되는 기술이다. 집광형은 쾌청한 비율이 높고, 건조한 지역에 적합한 태양광발전 방법이다. 15cm 정도의 태양전지 셀을 배열하는 실리콘 태양전지기술과는 용도가 다르다. 

집광형용 태양전지 셀은 작다. 제조기술상 대형화할 수 없으므로 렌즈 등과 조합하여 사용한다. 웨이퍼의 직경은 100mm이며, 셀 하나의 치수는 3mm 이하이다. 

집광형 태양전지 셀의 세계 기록은 2013년 9월에 이번 세 개의 단체와 독일의 Helmholtz Center Berlin이 공동으로 발표한 44.7%(297배 집광)이다. 약 1년 만에 착실히 효율을 높이고 있다. 태양전지 셀 개발 담당 vice-president인 Soitec의 Jocelyne Wasselin씨에 의하면, 이번 성과는 변환효율 50%를 목표로 하는 기술개발 과정이며, 가까운 장래 50%의 태양전지 셀을 공개할 수 있을 것이라고 한다. 이번 개발한 기술을 이미 프랑스 국내의 생산라인에 도입하였다. 

집광형 태양전지 셀을 이용한 태양전지 모듈의 개발도 추진되고 있다. Fraunhofer ISE는 44.7%를 기록한 태양전지 셀 52매를 독일 ORAFOL Fresnel Optics가 제조한 프레넬렌즈와 조합한 태양전지 모듈을 개발하였다.

2014년 7월 14일에는 집광형 태양전지 모듈의 변환효율로는 세계기록인 36.7%(230배 집광)를 달성하였다고 발표하였다. 제품화까지 1~2년을 필요로 하며, 1kWh를 발전하는 비용이 8유로센트 미만이 될 것이라고 한다. 집광형은 렌즈가 필요하기 때문에 경쟁력이 떨어질 것으로 생각된다. 실제로는 실리콘 태양전지보다도 특별한 용도에 강한 기술이다. 

Soitec은 양산 가능한 집광형 태양전지 셀을 이용한 모듈의 판매를 이미 추진하고 있다. 동사의 자회사인 Soitec Solar Development는 2014년 10월, 미국 San Diego Gas & Electric과 미국 캘리포니아주의 발전소용으로 교류출력 150MW(8만 3400기)의 판매계약을 체결하였다. 확실히 쾌청한 날의 비율이 높고, 건조한 지역이라는 조건에 맞다. 

46.0%로 기록을 달성한 태양전지 셀에는 구조상 특징이 있다. 다른 화합물 반도체를 상하방향으로 4층 중첩시킨 4접합 태양전지 셀로 불리는 구조이다. 4층을 중복한 이유는 1층 즉 단일 재료를 이용한 태양전지에서는 이론상 약 30% 이상의 변환효율을 실현할 수 없기 때문이다. 실제 연구개발이 추진되는 태양전지 셀 기술 중 30% 이상의 변환효율을 기록하고 있는 것은 2접합 이상의 것에 한정되어 있다. 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL)가 공개하고 있는 기술별 변환효율 기록에서도 이러한 사실을 알 수 있다. 

왜 단일 재료에서는 약 30% 이상을 실현할 수 없는가. 어느 반도체 재료를 선택하면 “Xnm(나노미터)”보다 긴 파장의 빛을 흡수할 수 없다. 그리고 X보다도 짧은 파장의 빛을 흡수할 수 있으나, 그 빛 에너지의 일부만 이용할 수 있다. 

예를 들면 X를 적외선(장파장)에 가깝도록 설정하면 흡수 가능한 빛의 파장 범위는 넓게 된다. 그러나 빛의 에너지 대부분이 무용지물이 된다. X를 자외선(단파장) 쪽에 가깝게 하면 흡수한 빛의 에너지는 무용지물이 되지 않는다. 그러나 이번에는 흡수할 수 있는 빛의 파장 범위가 좁아진다. X를 최적치로 했을 때 변환효율이 약 30%가 된다. 이 한계를 돌파하는 방법이 다접합이다. 이번에는 4개의 층이 각각 다른 파장의 빛을 거의 균등하게 흡수하도록 설계하였다. 때문에 태양광 중 300nm(근자외선)~1750nm(근적외선) 범위의 빛을 높은 효율로 흡수하여 발전할 수 있다. 4접합 셀의 개발에서는 4층이 만들어 낸 전류를 정확히 모으기 때문에 화합물과 층 두께를 조정한다는 점에서 기술적 챌린지가 있었다. 

산업기술종합연구소(AIST)가 측정한 이번 태양전지 셀의 I-V커브(전류-전압곡선)를 보면, 단락전류(Isc)가 337.9mA, 개방전압(Voc)가 4.277V이며, 곡선인자(FF)가 85.1%로 높은 값이라는 것을 알 수 있다. 

그림 1. 기록을 달성한 태양전지 셀을 500개 포함하는 100mm 웨이퍼
그림 2. 집광형 태양전지 모듈의 외관 렌즈의 면적은 1개의 16cm2이며, 하측에 있는 하얀 “점”이 1개의 태양전지 셀이다.

KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 2014-12-05





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