2016-060 호 (2016.11.14.) 최고효율집광형 GaAs 태양전지기술개발 동향 - 1 -
최고효율집광형 GaAs 태양전지기술개발동향 한국가스공사연구개발원김형태연구원 Ⅰ. 개요 1. 집광형 GaAs 태양전지 가. 집광형 GaAs 태양전지의필요성 1) 원인화석에너지의지속적인사용과이에따른에너지원의고갈은유가상승의문제와함께대기오염물질의배출과온실효과로인한지구온난화등의심각한문제를야기하고있다. 이에따라선진국에서는 1997년 12월교토의정서를채택하여지구온난화의주요원인인이산화탄소배출량을규제하고있으며, 우리나라의경우도조만간이산화탄소규제대상국에포함될예정이다. 현재세계적으로에너지공급원의다변화가시급한실정이며그후보로태양에너지, 풍력및수력에너지와같은신재생에너지에대한분야가부각되고있다. 전체에너지중신재생에너지의비중은빠르게증가할것으로전망되고있고, 신재생에너지중에서도태양광에너지의성장이가장빠를것으로기대되고있다. 태양전지의경우환경오염에대한문제가없고, 거의무한한에너지공급이이루어질수있어그관심이집중되고있다. 맑은날한시간동안지구에내려오는태양광에너지는현재전체인류의 1년동안사용하는에너지의양과비슷한수준이다. 태양광에너지의성장이빠르게증가함에따라태양전지원자재공급부족현상은현재보다도더심각한문제가될것으로예상된다. 현재단결정실리콘태양전지의경우원자재및기판공급부족이시작되었고, 가파른가격상승현상이일어나고있다. 이러한태양전지원자재공급부족을최소화하기위해서기본원자재인폴리실리콘공급을늘리는것외에도여러가지방법이추진되고있다. 그예로두꺼운실리콘기판대신더얇은두께의기판을사용하거나, 유리기판위에실리콘박막을이용한박막태양전지의개발이다. 최근에는태양광을집광하여, 필요한태양전지셀의면적을최소화하면서, 효율을극대화하는방법인집광형태양전지 (CPV:concentrating photovoltaics) 분야에대한관심이점점더고조되고있다. 본문에서는여러가지종류의태양전지기술중에서, 태양전지재료중가장높은효율을달성하였고현재우주용으로상용화에성공하여흑자를기록하고있는집광형 GaAs 태양전지의기술 - 2 -
개발동향에대해서알아보겠다. 나. 집광형태양광시스템 1) 태양전지 집광형태양광시스템은그림 1 과같이고효율태양전지를포함한리시버와빛을 집광하는렌즈그리고태양추적이가능한양축추적시스템으로구성된다. < 그림 1> 집광형리시버 사용되는태양전지는집광형태에따라구분이가능하다. 대게의경우표 1 에서와같이저집광, 중집광, 고집광으로나눌수있는데저집광의경우현재의실리콘결정질태양전지를사용가능한장점이있다. 고집광으로진행될수록화합물반도체를이용한태양전지를사용하는데 2006 년 Spectrolab 에서 GaInp/GaAs/Ge/Ge 구조로효율 40.7% 를기록하고있으며 2010 년까지 43% 를목표로개발되고있다. < 표 1> 집광형태양광시스템의분류 2) 모듈태양전지를외부환경노출에따른보호하기위하여모듈화공정에서매우세심한주의가요구된다. 현재의결정질계태양전지모듈은라미네이션 (Lamination) 공정에의해그영향을줄이고있으며최대 25 년이상의수명을보장하기도한다. 그러나집광형태양전지모듈은집광형렌즈를포함한몸체를 Sealing 하는기술이중요하다. 온도변화가수백 C 변화가주기적으로나타남으로내부습기침투가우려된다. - 3 -
3) 설치및운영태양에서발생된빛이지구에도달되면태양빛은대기에서약 30% 정도반사, 산란및흡수에의하여소멸된다. 지표면에도달된태양은지구상의지형적위치에따라직달일사및산란일사로분리되어도달되는데집광형태양광시스템특성상직달일사가우수한지형에설치되어야한다. 아프리카, 서남아메리카, 중국사막등사막화지역이높은일사량특성을보이고있으며국내설치및운영을하기위하여충분한일사특성에대한사전조사가반드시동반되어야경제적손실을최대한줄일수있다. < 그림 2> 집광형태양광발전시스템 1. 국내동향 Ⅱ. 동향분석 가. 집광형 GaAs 태양전지기술집광형화합물반도체태양전지기술에는태양전지효율에직접영향을주는전지의설계및제조기술외에도, 집광에연관해렌즈기술과집광시발생하는열을방출하는패키징기술, 태양추적기기술이요구된다. 집광에의해같은면적의전지에서더큰전류를얻어낼수있으므로집광렌즈를약 1,000 배등으로높이는고집광기술이개발되고있다. 화합물반도체태양전지의경우수백배이상집광이될수록효율이증가되는특성이있다. 실리콘태양전지의경우집광 20 배정도까지만효율이증가한다. 화합물반도체에피층성장에는 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 장치가사용된다. 이는 LED 제조에도널리쓰이는에피성장장비이다. 밴드갭크기를조절하기위해화합물반도체에피층성장시원료가스의종류와비율을공정변수로 - 4 -
해서조성을변화시킨다. 상부전지, 중앙부전지, 하부전지간의연결에도 MOCVD 를 이용해성장한에피층에높은농도로도핑해얻은터널접합을적용한다. < 그림 3> 집광형태양전지시장전망 1) 국내기술개발성과국내에서는한국전자통신연구원 (ETRI), 한국과학기술연구원 (KIST) 이 10 년이상이분야기초연구를지속해왔으며, 최근에는아주대학교, 광주과학기술원, 서울대학교, 나노소자특화팹센터등이참여하고있다. 아주대학교는나노소자특화팹센터와공동으로집광형 GaAs 태양전지발전시스템의테스트베드를운영해지역업체들의집광형태양전지개발을지원하고있다 - 5 -
< 그림 4> 아주대학교에설치된 GaAs 집광형태양전지발전시스템 나노소자특화팹센터는최근자체제작한 InGaP/GaAs 이중접합구조의태양전지 ( 비집광효율 28.08%) 연구결과를결정성장학회에발표했으며, 삼중접합태양전지를 17 배집광해효율 30.02% 를넘기는실적을달성했다. 고집광시다중접합에필요한터널접합의개선을통해향후 500 배집광시효율 35% 를목표로개발중이다. 삼중접합태양전지는 Ge 기판을이용하고하부전지로서 Ge p-n 접합, 그위에버퍼층, 터널접합으로서 GaAs p-n 접합, 중간전지 GaAs p-n 접합, 터널접합으로서 GaAs p-n 접합, 상부전지로서 InGaP p-n 접합, AlInP 창층순서로형성한다. 에피층의물성은그후에성장되는층들의성장온도에영향을받고도핑성분의확산등에의해태양전지전체의성능에영향을미치며, 기판으로사용되는 Ge 웨이퍼의기판절단경사도가그위에형성되는에피층의도메인형성여부를좌우해에피층내결함생성에영향을미치고태양전지효율에도최종적으로영향을미친다. 상부전지와하부전지를연결하는터널접합에사용되는도핑원소에따라도핑농도가크게영향을받으므로태양전지전류-전압특성에중요한인자이다. 태양전지효율은태양광모사조명장치에의한광조사조건에서전지의전류-전압특성을평가해구한다. 집광형태양전지의효율측정을위해서는별도의집광렌즈를부착한태양광모사조명장치가필요하고냉각장치, 고전류측정장치가필요하며, 삼중접합특성을접합별로정확히분리해평가하기위한양자효율특성평가장치도필요하다. - 6 -
< 그림 5> 나노소자특화팹센터의집광형태양전지개발로드맵 나. 집광형태양광을활용한설치사례집광형태양광발전시스템은태양을추적하여시시각각변화하는움직임및근미래적인외관으로부터차세대에너지의이미지를강하게어필할수있다. 따라서설치사례들도이러한특장점을활용한것이많다. 그예로서그림 6 에는주차장에설치한시스템을나타냈다. 이것은추적가대바로아래의공간을주차장으로활용한사례이다. 그리하여낮에는발전뿐만이아니라차양효과도거두고있다. 또그림 7 에서와같이패널아래에 LED 조명을설치함으로써야간조명을겸하는동시에방범기능을갖춰경비의절감을도모한시공사례도있다. 축전지를이용하면태양광으로발전한전기로야간조명을운영할수있다. 한편, 집광형태양광발전에서는추적으로패널이움직이기때문에패널의그림자가한곳에머무르는일이없다. 이때문에패널아래의지면에도골고루빛이들어생태계에미치는영향을최소화할수있다. 실제로집광형태양광발전아래에서고랭지야채를재배하고있는사례나잔디및정원등의녹지로활용하고있는시공사례도있다 < 그림 8 참조 >. 또한, 2010 년에공장녹지법의운용방법이완화되면서집광형태양광발전패널의아래도녹지로정비하면녹지면적을줄이는일없이에너지절약설비로인정받을수있게되었다. 태양광발전을설치하고싶지만공장지붕에설치할수없거나지상설비는녹지및주차장을줄여야만한다는문제등에도대응할수있게되었다. 집광형태양광발전설비의설치는기초공사 기둥건설 패널설치의순으로진행된다. 즉, 기둥을세우는부분의토지만확보가능하면간단한토목공사로끝난다는얘기이다. 중장비의진입경로가확보되면산간부에도설치가능하며, 산꼭대기나경사지에설치한사례도있다. 날씨에의한발전출력의변동을경감시키기위해서는축전지와의조합이유효하다. 또축전지와의조합을통해다양한응용및부가가치가생겨난다. - 7 -
< 그림 6> 주차장에설치한집광형태양광발전시스템의예 < 그림 7> 야간조명으로활용가능한주차장발전시스템의설치사례 < 그림 8> 집광형태양광발전아래에서블루베리를재배하고있는사례 - 8 -
2. 해외동향 가. 집광형 GaAs 태양전지기술개발현황전세계태양전지시장의 80% 이상을결정질태양전지가차지하고있고, 10% 정도는박막태양전지가차지하고있으며, 나머지시장은집광형태양전지 (CPV) 를비롯한차세대태양전지들이차지하고있다. 집광형 GaAs 태양전지시장규모는 2010 년 20MW 에서 2015 년 1,500MW 까지설치용량이증가할것으로전망되고있다. 집광형태양전지시장이급격히성장하는배경에는 GaAs 셀제조의대량생산화와더불어집광에필요한광학계및태양광추적트랙커의가격하락이큰몫을하고있다. 스트래티지애널리틱스 (Strategy Analytics) 사에서예측한태양전지별경제성분석 (LCOE: Levelized Cost of Electricity) 비교에의하면 2015 년에는집광형태양전지가실리콘태양전지나박막태양전지대비우월한것으로나타나있다. 미국의경우 GaAs 태양전지는연구개발단계에서상용화단계로진입했다. 상용화에나선미국의대표적인기업은보잉사의자회사인스펙트로랩 (Spectrolab) 과엠코어가있다. 스펙트로랩의경우상용화된셀의효율이 38.5% 에달해 GaAs 태양전지발전시스템보급에중요한역할을하고있다. 교효율화연구에있어서는미국의신재생에너지연구소 NREL 과독일의프라운호퍼연구소 (Fraunhofer ISE), 일본의도요타기술연구소 (Toyota Institute of Technology) 등이 InGaP/InGaAs/Ge 의삼중접합구조태양전지기술분야에서선두각축을벌이고있다. 독일에서개발된셀의경우집광시 41.1% 의고효율을나타낸다. 기업측에서개발한최고효율은스펙트로랩의 41.6% 이다. 이러한셀을받아서집광형태양전지패널을제작공급하는대표적인회사로는미국의아모닉스 (Amonix) 와독일의콘센트릭스솔라 (Concentrix Solar) 두회사가대표적이다. 아모닉스의경우는 2010 년에서던캘리포니아에디슨 (Southern California Edison) 전력회사로부터 28.5MW 의집광형태양전지발전소건립을수주받기도했다. 일본도화합물반도체태양전지연구역사가 30 년을넘고있으며, 샤프 (Sharp), 다이도스틸 (Daido Steel) 이컨소시엄으로 NEDO 프로젝트를수행해 InGaP/ InGaAs/Ge 삼중접합태양전지에서효율 38.9% 를달성했다. Ⅲ. 향후전망 1. 집광형 GaAs 태양전지기술개발의기대 - 9 -
집광형태양전지는태양광발전의여러가지방식중의하나이다. 기존의태양전지는집광형 III-V 태양전지에비하여낮은효율을갖고있으나직사광선을필요로하지않으므로흐린날이많은지역에적합하며, 트랙킹이필요없어지붕위에설치할때에유리하다. 그러나기존의태양전지는온도특성이좋지않아서아주뜨거운지역에서는발전량이 20% 정도까지줄어드는경향이있다. 또한많은셀면적이필요하여지난수년간겪었던실리콘원재료수급이급속한시장의팽창에따라계속불안할것으로예상되며, 이에따른가격상승도계속유지될것으로예상된다. 그리고실리콘태양전지는최고효율이지난십년간증가하지않고있다. 여러가지박막태양전지의경우, 약 1마이크론정도두께의물질만이사용되어원재료수급에는문제가없으나, 실리콘박막의경우아직도효율이 8-10% 로낮은편이고, 다른화합물반도체박막의경우카드뮴의사용으로인하여태양전지수명이다한경우의처리문제가대두되고있다. 고성능 GaAs 태양전지는위성용에서지상용발전시스템으로서다른태양전지발전에비해손색이없을만큼기술이안정화, 저가격화되어가고있다. 그러나아직 IT 분야에융합기술로서활용되지못하고있는데, 이는사용되는기판크기가 4인치 Ge 기판에한정되고있기때문이다. 따라서 GaAs on Si 신기술이개발되면향후 8인치나 12인치 Si 기판을사용하는대구경웨이퍼라인에서생산이가능하게되어저가격화는물론이고 IT 기기에부착해사용할수있는보조전원으로서역할을할수있게된다. 이를위해서 GaAs를 Si 위에서결정결함을제어하면서성장해효율의저하를최소화하는것이핵심기술이다. IT 기기분야에서고성능태양전지를활용한다면태양전지활용의지평의확장에우리나라가선도할수있다고본다. < 참고문헌 > 1. 박원규, 최고효율태양전지의실현, GaAs 태양전지기술개발동향, 2014 2. 송재형 집광형태양광열병합발전시스템개발연구, 상명대학교, 2015 3. 권성기외 4 명, 집광형태양광-태양열연동시스템개발, 목포대학교, 2012 4. 오병두, 고효율 Ш-V 집광형태양전지, 2008 5. 김경수외 2 명, 집광형태양광발전시스템동향, 한국에너지기술연구원, 2008-10 -