일반기술

반도체 막대를 구비하는 태양전지, 이의 제조방법 및 태양전지-열전소자 통합 모듈

해당 기술은 태양광을 전기로 바꾸는 태양전지 (PV)와 태양열을 전기로 바꿀 수 있는 열전소자 (TE)를 통합하여 변환 효율을 극대화할 수 있는 신개념 미래형 태양광 열전 나노소자(Unified solar thermal conversion nanodevice)이다. 기존의 태양전지 기술과는 차별화된, 미래 국가간 비고갈성 무한청정에너지 확보 경쟁에서 기술적 우위를 선점하는 핵심원천기술이다.기존의 실리콘 기판을 활용한 태양전지는 기판 벌크에 pn junction이 형성되어, 태양광의 조사 방향과 minority carrier의 확산 방향이 같은 축에 형성되며, 이로 인해 고효율을 얻기 위해서는 순도가 높은 고가의 실리콘 기판을 사용하는 경제적인 문제가 있음다. 이를 해결하기 위해, 해당 기술에서는 실리콘계 Si/SiGe microwire (MW) array를 고밀도로 수직하게 성장시켜 이러한 high aspect-ratio (HAR) MW를 core-shell doping 함으로서, radial p-n junction 이 MW 내에 형성되게 하는 특징이 있다.HARMW 구조로 형성된 기판 표면은 별도의 antireflection coating이 필요 없을 정도로 매우 높은 light trapping effect에 의한 높은 태양광 흡수를 가능하게 할 뿐 아니라, 박막형태의 태양전지에 비해 p-n junction이 형성되는 면적을 wire의 밀도와 aspect ratio의 향상을 통해 몇 배의 오더로 극대화 시킬 수 있는 장점을 갖는다.기존 solar cell에서는 태양광에 나란한 방향으로 carrier diffusion이 발생하여 상당한 확산을 해야 junction depletion층에 도달하지만, HARMW구조에서는 태양광 입사방향과 carrier diffusion이 orthogonal하게 형성되므로, 매우 적은 확산으로도 p-n junction에 쉽게 minority carrier가 도달되고, 전기에너지로 변환되는 것이 가능하여, 고온에서도 높은 효율을 달성하는 것이 가능할 뿐 아니라, 고가의 고순도 실리콘 기판을 사용할 필요가 없어, 매우 경제성이 높은 공정을 제공한다.더불어, MW의 하부는 Ge-rich (≥50%)조성에서 상부로 갈수록 Si의 양을 증가시켜, 상부에서 하부로 Si→Ge으로 조성이 변경되게 하는 것이 공정상 용이하여, MW구조에서 bandgap engineering에 의한 무한대의 Tandem효과를 주는 것이 가능하고, 이에 따른, UV와 Visible대역에서 carrier thermalization을 최소화 시켜 cell 효율을 극대화한다.양광소자와 열전소자를 나노소재 및 소자기술을 활용하여 동시에 구동시키는 에너지 변환소자의 가장 큰 장점은 기존의 상용화되고 있는 태양전지들이 UV와 가시광선대역 만의 태양광을 활용하여, 에너지 변환을 하는 한계를 극복하는 것이다. 태양에너지의 활용을 보다 극대화 하기위해 기존의 ‘태양광 (light)’ photovoltaic (PV)변환과 더불어, 현재 태양전지에서 그대로 버려지고 있는 ‘태양열 (heat)’을 동시에 TE변환하여, 저가격, 고효율의 우수한 미래 원천 에너지원의 확보가 가능할 것으로 기대된다.□ 시장규모현재 화석연료의 급격한 상승과 Kyoto 의정서 등에 의한 이산화탄소 배출규제와 맞물려, 태양전지 시장의 규모가 기존 2006년도 예측보다 계속 상향 조정되고 있으며, 이와 같은 추세로 볼 때, 2010년 20 GW, 2015년 50 GW이상 시장 형성이 가능할 것으로 예상 된다. 매년 35%이상의 고성장이 지속되고 있어, 금액으로는 2010년에도 700여억달러 규모는 충분히 달성될 것으로 평가된다.□ 적용분야- 태양광 발전소, 가정용 전원으로 사용되어 기존 화력 발전소를 대체할 수 있음.- 자동차에 적용하여 석유를 대체하고, 인공위성에 적용 가능.- 현재 상용중인 열전소자를 이용한 냉장고, 차량용 온도조절 시트의 성능을 개선하고, 군복에 부착하여 배터리를 대체하고 군인의 체온을 조절할 수 있음.