Current Photovoltaic Research 2(4) 168-172 (2014) pissn 2288-3274 방열특성에따른집광형태양전지의광전변환효율변화에관한실험적연구 김강호 1,2) ㆍ정상현 1,2) ㆍ김영조 1,2) ㆍ김창주 1) ㆍ전동환 1) ㆍ신현범 1) ㆍ이재진 2) * ㆍ강호관 1) * 1) 한국나노기술원, 수원시, 443-270, 2) 전자공학과, 아주대학교, 수원시, 443-749 An Experimental Study on the Heat Transfer Characteristics of the Conversion Efficiency in the Concentrated Photovoltaic Cells Kangho Kim 1,2) Sang Hyun Jung 1,2) Youngjo Kim 1,2) Chang Zoo Kim 1) Dong Hwan Jun 1) Hyun-Beom Shin 1) Jaejin Lee 2) * Ho Kwan Kang 1) * 1) Korea Advanced Nano Fab Center, Suwon, 443-270, Korea 2) Department of Electrical and Computer Engineering, Ajou University, Suwon, 443-749, Korea ABSTRACT: Under concentrated illuminations, the solar cells show higher efficiencies mainly due to an increase of the open circuit voltage. In this study, InGaP/InGaAs/Ge triple-junction solar cells have been grown by a low pressure metalorganic chemical vapor deposition. Photovoltaic characteristics of the fabricated solar cells are investigated with a class A solar simulator under concentrated illuminations from 1 to 100 suns. Ideally, the open circuit voltage should increase with the current level when maintained at the same temperature. However, the fabricated solar cells show degraded open circuit voltages under high concentrations around 100 suns. This means that the heat sink design is not optimized to keep the cell temperature at 25 C. To demonstrate the thermal degradation, changes of the device performance are investigated with different bonding conditions and heat sink materials. Key words: Heat transfer, Conversion efficiency, Concentrated photovoltaics, Solar cells, Open circuit voltage Nomenclature Subscript V oc : open circuit voltage, V J sc : short-circuit current, ma/cm 2 J 0 : dark saturation current, ma/cm 2 FF : fill factor P in : input power, W η : conversion efficiency, % T : temperature, K n : diode factor k : Boltzmann constant, J/K molecule q : magnitude of electron charge, C γ : minority carrier lifetimes, s R s : series resistance, Ω : shunt resistance, Ω R sh *Corresponding author: hokwan.kang@kanc.re.kr, jaejin@ajou.ac.kr Received August 29, 2014; Revised September 4, 2014; Accepted September 4, 2014 MOCVD : metal organic chemical vapor deposition CPV : concentrated photovoltaic PCB : printed circuit board PMSS : pulse mode solar simulator FMSS : flash mode solar simulator CIGS : copper indium gallium selenide BSF : back surface field RTA : rapid thermal annealing TMGa : trimethylgallium TMin : trimethylindium DEZn : diethylzinc DETe : diethyltellurium AsH 3 : arsine PH 3 : phosphine CBr 4 : carbon tetrabromide SiH 4 : silane UHP H 2 : ultra-high purity hydrogen c 2014 by Korea Photovoltaic Society This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 168
K.H. Kim et al. / Current Photovoltaic Research 2(4) 168-172 (2014) 169 1. 서론 최근화석연료의고갈과환경오염문제로인해신 재생에너지개발의필요성이높아지고있다. 특히친환경적이고, 무한재생이가능한태양에너지가그첫번째후보로주목받고있다 1). 태양전지는태양광에너지를전기에너지로변환하는소자이며, 태양전지의광전변환효율이향상할수록에너지생산원가를낮출수있어태양전지효율향상연구가전세계적으로활발히진행되고있다. 현재실리콘기반태양전지, CIGS, dye/quantum dot-sensitive, 그리고 Ⅲ-Ⅴ 화합물반도체기반태양전지등다양한종류의태양전지가연구되고있으며 2) 태양전지의세계최고효율은 297 sun에서 44.7% (AM1.5D, pulse mode solar simulator) 로미국의 Soitec (Fraunhofer Ins.) 사의 InGaP/GaAs/ InGaAsP/InGaAs 사중접합태양전지이다 3). 이처럼고효율을얻기위해서는집광시스템의이용은필수적이다. 실리콘태양전지는적층형구조의태양전지구현이어렵고간접천이특성을지닌반도체이므로온도변화에상당히민감하여 20배미만의중저집광용태양전지로연구되고있다 4). 반면, III-V 화합물반도체태양전지는제조비용이다른태양전지들에비해높지만, 태양광스펙트럼을효율적으로사용할수있는적측형구조및직접천이의특성을가지고있어고집광이가능하며집광시고효율을구현이가능하여미국, 일본, 유럽등선진국에서는많은연구가진행중이다. 일반적으로 CPV 소자의집광측정은실험적효율을얻기위해펄스광원을사용하여집광측정시온도변화가없는 PMSS로측정하고있다 5). 하지만실제태양광발전에서는빛이연속적으로조사되어집광시 CPV 소자에높은열이발생하게되고집광비가커질수록소자내부온도가상승하여광전변환효율이감소하게된다 6). 따라서옥외에서도 CPV 소자의높은효율을얻기위해에피구조설계와공정설계외에도효과적인방열에대한이해와설계가매우중요하다. 본연구에서는집광형 III-V 화합물반도체태양전지인 InGaP/ InGaAs/Ge 삼중접합태양전지를제작하고, 집광비에따라온도변화가있는 FMSS를이용하여방열조건에의한광전변환효율특성변화를분석하였다. 2. 실험방법 2.1 CPV 소자와 PCB 의접촉면적에따른광전변환효율 CPV 소자를 PCB에붙일때사용하는 silver paste (P-100, 10-4 Ω m) 의양을조절하여 Table 1과 Fig. 1의모식도와같이접촉면적에따른 CPV 소자의광전변환효율변화를분석하였다. CPV 소자는에피구조문제및공정문제를배제하기위해집광 Table 1. silver paste 양에따른접촉면적 Sample Volume ( μl ) Area (mm 2 ) S 1 3.14 M 2 12.56 L 3 28.26 Fig. 1. Samples S, M, L의 PCB 모식도 Fig. 2. InGaP/InGaAs/Ge 삼중접합태양전지구조시광전변환효율이 38% 인상용 CPV 소자를사용하였고, PCB 는 Al 기반 PCB를사용하였다. 집광비에따른효율변화를분석하기위해집광측정이가능한 FMSS (WXS-220S-L2, class A) 를이용하여 AM 1.5G 조건에서측정하였다. 집광측정은 100배까지집광가능한프레넬렌즈 (Fresnel lens) 를사용하여초점거리를조절하는방법으로 1~100 suns 까지측정하였다. 2.2 PCB 물질에따른광전변환효율 MOCVD (AIX 2600) 장비를사용하여 Fig. 2와같은 InGaP/ InGaAs/Ge 삼중접합태양전지를성장하였다. III족원소의 precursor로는 TMGa과 TMIn을, V족원소로는 AsH 3 와 PH 3 가스를사용하였다. P-type과 n-type 불순물은각각 DEZn와 CBr 4, SiH 4 와 DETe을사용하고, 운송가스로는 UHP H 2 를사용하였다. 반응로의압력은 50 mbar로고정하였으며, 성장온도는각층의물질특성에따라 600~700 C로변화시켰다. P-type Ge (100) 기판에 phosphorus를주입시키는원자확산법으로 Ge bottom cell을구현한후, window 및 BSF 층을포함한 InGaAs middle cell, InGaP top cell을순차적으로성장하였다. 각각의
170 K.H. Kim et al. / Current Photovoltaic Research 2(4) 168-172 (2014) Fig. 3. Metal 전극형성공정흐름도 Fig. 5. 접촉면적에따른 FF 의변화 Fig. 4. Al 기반 ( 좌 ) 및 Cu 기반 ( 우 ) PCB의모식도 subcell은 tunnel 접합구조를통하여전기적으로연결된다. MOCVD 기술로성장된태양전지에피웨이퍼에금속전극을형성하기위해 Acetone - IPA - DI 순의유기세정을한후 Fig. 3과같이사진현상공정을이용하여 metal grid 패턴을형성하고 e-beam evaporator로금속을증착하였다. 전면전극과후면전극은각각 AuGe/Ni/Au와 Ti/Pt/Au 구조를사용하였고 7), 금속과반도체간의 ohmic contact 형성을위해 RTA 장비로열처리과정을진행하였다. 광흡수손실을방지하기위하여aperture area 의 GaAs ohmic 층은 NH 4OH;H 2O 2:DI (2:1:10) 용액을이용한습식식각방법으로제거하였다 8). 제작된태양전지에피웨이퍼는 mesa isolation 공정과 dicing 공정을통하여각각의단위셀로분리된다. 제작된태양전지셀의크기는 6.5 mm 5.5 mm이며, 빛을흡수할수있는 aperture area는 5.5 mm 5.5 mm로설계되었다. 제작된 CPV 소자를 silver paste를사용하여 Al 기반 metal PCB에부착하였으며, 전면전극은 wire bonding 공정을통하여 gold wire로연결하였다. CPV 소자의 PCB는태양전지의양극을분리해주는전기적인기능외에도절연체밑으로금속을부착하여집광시발생한소자내부의열을흡수및방출하는방열판의기능도수행한다. 이를실험적으로확인하기위해제작한 CPV 소자를 Fig. 4와같이열전도도가상대적으로낮은 Al 기반 PCB와열전도도가상대적으로높은 Cu 기반 PCB에각각본딩하여 CPV 소자의광전변환효율변화를비교분석하였다. 집광측정은실험방법 2.1의측정방법과동일조건으로 1~100 suns 까지측정하였다. J sc 의변화에기인한다. 집광시 J sc 는집광비에비례하여증가하지만 J sc 의증가는 P in 의증가와상쇄되어 CPV 소자의광전변환효율은 FF와 V oc 의변화에의해결정된다. [%] (1) Fig. 5는집광시 CPV 소자와 PCB의접촉면적에따른 FF 변화를나타낸그래프이다. Sample M과 L의 FF는저집광영역에서는증가하고고집광영역에서는포화하는것을확인하였다. 반면 smaple S의 FF는 50 suns에서감소하여다른 sample들과는다른양상을보였다. 소자특성이양호한 CPV 소자의 FF는집광비가커질수록소자의 R s 가감소하여집광비가커질수록증가하다가 R s 의감소한계에의해더이상증가하지못하고포화되거나감소한다 6). FF 또한온도함수로결정되는변수이기때문에 6, 7) 좁은접촉면적으로인하여 PCB로효과적으로열을전달하지못한 sample S는 R s 의감소에의한 FF의증가량보다온도에의한 FF의감소량이더커낮은집광비에서 FF가감소하기시작한것으로보인다. 집광시 FF의변화는저집광영역에서의증가폭이상대적으로커서 CPV 소자의광전변환효율증가에직접적인영향을주지만고집광영역에서는포화되거나감소하여미비한영향을주거나오히려저하시키는요인이된다 6). 따라서 CPV 소자의광전변환효율증가는 V oc 의증가와매우밀접한관계가있다고말할수있다. 집광시 V oc 는 J sc 의증가로아래식 (2) 에의해온도변화가없다는가정하에 V oc 를자연로그함수로증가시킨다 7). 3. 실험결과및고찰 [V] (2) 3.1 CPV 소자와 PCB 의접촉면적에따른광전변환효율 CPV 소자의광전변환효율 (η) 은식 (1) 에서와같이 V oc, FF, 하지만식 (3) 과같이온도함수로결정되는 V oc 는집광비가커지면온도상승에반비례관계로감소하게되고결국 CPV 소
K.H. Kim et al. / Current Photovoltaic Research 2(4) 168-172 (2014) 171 자의광전변환효율을저하시킨다 6). (3) Fig. 6은집광시접촉면적에따른 V oc 의변화를나타낸그래프이다. 식 (2) 에의한 simulation 결과와는달리집광비가커지면서 V oc 의증가율이작아지는것을확인하였다. 특히높은열이발생하는고집광영역의 V oc 증가율감소가큰것을확인하였고접촉면적이넓을수록 V oc 의증가율이우수한것을확인하였다. 넓은접촉면적이집광열을 PCB로효율적으로전달하여 V oc 의열에의한영향이감소하였음을의미한다. 반대로접촉면적이좁을수록집광에의한열이소자외부로빠져나가지못해열에의한영향이매우크게나타나는것을확인하였다. Fig. 7은집광시접촉면적에따른광전변환효율변화를나타낸그래프이다. 광전변환효율의변화추이는 Fig. 6의 V oc 변화추이와매우유사한것을확인할수있다. 집광시 CPV 소자의광전변환효율을결정짓는주요요인인 V oc, J sc, FF 중 V oc 의변화가가장중요한요인임을실험을통해확인하였다. 또한 CPV 소자와 PCB 의접촉면적이넓을수록우수한방열특성으로 V oc 의증가율이향상되고그에따라 CPV 소자의광전변환효율도 향상되는것을확인하였다. 3.2 PCB 물질에따른광전변환효율 Table 2은금속들의열전도도를정리한표이다. Cu는 Al보다상대적으로높은열전도도특성을가져방열에우수한물질임을알수있다. 제작한 CPV 소자를 Al과 Cu 기반 PCB에각각본딩하여집광측정한결과를 Table 3과 Table 4에정리하였다. PCB 본딩은선행연구인 CPV 소자와 PCB의접촉면적에따른광전변환효율변화분석결과를적용하였다. Fig. 8은 Al과 Cu 기반 PCB의방열특성에따른 V oc 의변화를 Table 3과 Table 4에서추출하여비교분석한그래프이다. Al 보다 Cu 기반 PCB를사용했을때 V oc 증가율이더우수한것을확인하였다. 열전도도가상대적으로높은 Cu 기반 PCB는우수한방열특성으로집광열을 PCB로호율적으로전달하여 V oc 의증가율을향상시켰다. V oc 의증가는 CPV 소자의광전변환효율변화에그대로반영되어 Fig. 9에서와같이 Cu 기반 PCB를사용했을때 CPV 소자의광전변환효율증가율이더우수한것을확인하였다. FF 변화는 Fig. 9에서와같이저집광영역에서는증가 Table 2. 금속의열전도도특성 Materials Thermal conductivity (W/m K) Ag 429.0 Cu 401.0 Au 318.0 Al 237.0 Table 3. 집광비에따른소자특성변화 (Al 기반 PCB) Fig. 6. 접촉면적에따른 V oc 의변화 F Suns η(%) V oc (V) J sc (ma/cm 2 ) 1.00 28.03 2.521 12.932 0.8595 7.21 30.90 2.694 93.304 0.8872 9.85 31.29 2.718 127.414 0.8901 20.06 32.25 2.771 259.397 0.9001 29.81 32.61 2.796 385.455 0.9020 49.60 32.94 2.822 641.469 0.9025 100.39 33.10 2.843 1298.215 0.9005 Table 4. 집광비에따른소자특성변화 (Cu 기반 PCB) Fig. 7. 접촉면적에따른효율의변화 F Suns η(%) V oc (V) J sc (ma/cm 2 ) 1.00 27.96 2.514 12.944 0.8592 6.63 30.87 2.689 85.773 0.8870 10.10 31.41 2.727 130.723 0.8899 21.20 32.45 2.786 274.390 0.8998 29.66 32.81 2.811 383.863 0.9018 50.11 33.24 2.845 648.663 0.9025 104.90 33.69 2.884 1357.871 0.9025
172 K.H. Kim et al. / Current Photovoltaic Research 2(4) 168-172 (2014) 결과적으로 CPV 소자의효율을결정짓는주요요인인 V oc 와 FF는온도변화에영향을받아 CPV 소자를설계할때에는태양전지에피구조설계와공정설계외에도방열이효과적으로이루어질수있도록태양전지의전극구조및 PCB의물질등넓은범위의방열메커니즘을분석하는연구가중요함을확인하였다. 추후방열특성개선연구가활발히진행된다면 CPV 소자의광전변환효율은크게증가할것으로예상된다. 후기 Fig. 8. PCB 물질에따른 V oc 의변화 본연구는 2014년도지식경제부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다 (No. 20123010010110). References Fig. 9. PCB 물질에따른효율및 FF의변화하고고집광영역에서는포화하는전형적인변화추이를나타냈다. 이를통해제작한집광형 InGaP/InGaAs/Ge 삼중접합태양전지가상용화 CPV 소자만큼양호한 CPV 소자인것을간접적으로확인할수있다. 4. 결론 본연구에서는고품위 InGaP/InGaAs/Ge 삼중접합태양전지구조를 MOCVD 성장기술로성장하고, 태양전지공정기술을통하여집광형태양전지를제작한후집광이가능한 class A solar simulator를이용하여집광측정및분석하여방열특성이집광형태양전지의소자특성에미치는영향에대해분석하였다. 특히집광에의한높은열이 V oc 변화에미치는영향에대하여집중적으로분석하였다. 상용 CPV 소자와 Al 기반 PCB의접촉면적을조절하여방열에따른태양전지특성변화를분석하였다. 집광에의한온도상승이 V oc 를감소시켜집광열과 V oc 의반비례관계를실험적으로확인하였다. 또한 FF 역시온도변화에영향을받는것을확인하였다. 제작한 CPV 소자를 Al과 Cu 기반 PCB에각각본딩하여 CPV 소자의광전변환효율변화를비교분석하였다. Cu의상대적으로높은열전도도로인해 Cu 기반 PCB를사용했을때의 CPV 소자의광전변환효율이개선되는것을확인하였다. 1. B. Li, L. Wang, B. Kang, P. Wang, Y. Qiu, Review of recent progress in solid-state dye-sensitized solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 90, 549-573, 2006. 2. M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, E. D. Dunlop, Solar cell efficiency tables (version 44), Progress photovoltaics : Research and Application 22, 701-710, 2014. 3. F. Dimroth, M. Grave, P. Beutel, U. Fiedeler, C. Karcher, T. N. D. Tibbits, E. Oliva, G. Siefer, M. Schachtner, A. Wekkeli, A. W. Bett, R. Krause, M. Piccin, N. Blanc, C. Drazek, E. Guiot, B. Ghyselen, T. Salvetat, A. Tauzin, T. Signamarcheix, A. Dobrich, T. Hannappel, K. Schwarzburg, Wafer bonded fourjunction GaInP/GaAs//GaInAsP/GaInAs concentrator solar cells with 44.7% efficiency, Progress photovoltaics : Research and Application 22, 277-282, 2014. 4. 신재혁, 이승신, 김상민, 부준홍 온도에따른집광형태양전지의성능에관한실험적연구, 한국태양에너지학회논문집 32, 96-101, 2012. 5. C.R. Osterwald, M.W. Wanlass, T. Moriarty, M.A. Steiner, K.A. Emery, Effects of Spectral Error in Efficiency Measurements of GaInAs-Based Concentrator Solar Cells, National Renewable Energy Laboratory Technical Report, NREL/TP-5200-60748, Golden, CO, 2014. 6. G. S. Kinsey, P. Hebert, K. E. Barbour, D. D. Krut, H. L. Cotal, R. A. Sherif, Concentrator multijunction solar cell characteristics under variable intensity and temperature, Progress photovoltaics : Research and Application 16, 503-508, 2008. 7. H. Cotal, C. Fetzer, J. Boisvert, G. Kinsey, R. King, P. Hebert, H. Yoon, N. Karam, III-V multijunction solar cells for concentrating photovoltaics, Energy & Environmental Science 2, 174-192, 2009. 8. A. Duda, S. Ward, M. Young, Inverted metamorphic multijunction (IMM) cell processing instructions, National Renewable Energy Laboratory Technical Report, NREL/TP-5200-54049, Golden, CO, 2012.