화합물 반도체 태양전지 학 번 : 199921469 이 름 : 최 형 철

태양전지의 분류

반도체 화합물 태양전지의 종류 III-V족 화합물계 : GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등 II-VI족 화합물계 : CdS, CdTe, ZnS, ZnTe, CdSe등 l-lII-Vl족 화합물계 : CuInSe2, CuInS 등

III-V족 화합물계 : GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 태양전지 III-V족 화합물계 : GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서 태양전지용 재료로서 가장 많이 연구 개발되어진 것이 GaAs이다

GaAs pn접합형 태양전지의 구조 pGaAs를 형성하기 위해서는Zn 혹은 Cd을 열확산 시키기 때문에 p층 내부에는 캐리어 농도 분포의 차이에 기인한 내부전계 E가 존재한다. (homojuntion cell) 동종접합

GaAs pn접합형 태양전지의 원리 p형 반도체의 전도대 전자는 입사된 광에너지에 의해 가전자대로 여기되 정공쌍을 생성한다. 전자-정공쌍 전 자는 p-n 접합사이에 존재하는 전기 장에 의해 n형 반도체로 넘어가게 되 어 외부에 전류를 공급하게 된다. 태 양전지에서 전기장은 태양광에 의해 서 발생된 전자 혹은 정공을 다른 쪽 으로 이동시켜 전류를 생성시키는 역 할을 한다.

GaAs 태양전지의 특징(장점) 변환효율이 좋다 GaAs의 밴드갭(1.43eV)은 태양의 방사 스팩트럼을 효율좋게 흡수하는데 적당한 값이며 변환효율이 20% 이상이 된다. 변환효율이 좋다 태양전지의 변환 효율은 손실을 얼마나 줄이는가에 달려있다.

입 사 광 에 너 지 태양광 스펙트럼 불일치 이론한계 효율 단파장 과잉 에너지 장파장 투과 전압인자 손실 태양광 스펙트럼 일치 재결합손실

태양전지 재료의 밴드갭에 따른 변환이론효율

GaAs 태양전지의 특징(장점) 고온에서 사용 가능 금지대폭이 넓기 때문에 Si 태양전지와 비교해선 고온에서 사용이 가능하며

GaAs 태양전지의 특징(장점) 흡수계수가 크다 GaAs는 직접천이형이기 때문에 흡수계수가 크며 태양광을 90%이상 흡수하는데 필요한 두께는 5㎛정도면 충분하다

방사선에 의한 열화가 Si보다 작다 직접천이형 반도체 소수 캐리어의 수명 이 짧고 방사선에 의한 열화가 Si보다 작다.

GaAs 다결정 박막 셀에서 입경의 크기가 수 ㎛이면 입경의 크기가 작다 GaAs 다결정 박막 셀에서 입경의 크기가 수 ㎛이면 단결정 수준의 변환효율을 얻을 수 있으며 Si의 경우 10㎛ 이상의 입경이 필요하다.

GaAs 태양전지의 특징(단점) 가격이 매우 비싸다. 상용화의 가장 큰 걸림돌 우주선의 전원 공급용으로 사용 국한 (지상용 태양전지의 가격의 수백 배)

GaAs 태양전지의 특징(단점) Si에 비해 무겁다. 비중의 차이에 의해 중량당 출력 W/g이 작다. 경량화 제품 개발에 불리

GaAs 태양전지의 특징(단점) 표면 재결합 속도가 크다. GaAs는 흡수계수가 크고 광여기에 의해서 GaAs에서 s=106~107cm/s, Si에서는 104cm/s 이다. GaAs는 흡수계수가 크고 광여기에 의해서 표면에서 1㎛정도의 영역에서 전자 전공쌍이 형성하기 때문에 표면재결합의 영향을 크게 받는다. 효율 향상을 위해 표면 재결합 속도를 느리게 한다.

II-VI족 화합물계 : CdS, CdTe, ZnS, ZnTe, CdSe등 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지 II-VI족 화합물계 : CdS, CdTe, ZnS, ZnTe, CdSe등 ll-VI족으로 에너지 밴드 갭이 1.45eV 직접 천이형 밴드 구조로 광흡수계수가 높은 것이 특징이다.

CdTe 태양전지의 구조 박막 형태로 제작 이종접합 구조 (hetero junction) Window layer CdS층 0.1㎛정도 두께로 사용(n형)

태양 에너지의 스펙트럼 고려시 에너지 변환에 가장 적합 CdTe 태양전지의 특징(장점) 태양전지 제작에 가장 이상적인 물질 에너지 갭이 1.45eV인 직접 천이형 반도체 태양 에너지의 스펙트럼 고려시 에너지 변환에 가장 적합

태양전지 재료별 흡수계수

CdTe 태양전지의 특징(장점) 제조 방법의 다양성 제조 단가의 절감 상용화의 결정적 요인 다양한 방법 이용하여 높은 증착속도로 박막을 균일하게 증착시킬 수 있다. 제조 단가의 절감 상용화의 결정적 요인

CdTe 태양전지의 제조법

Recycle System의 개발로 해결 모색 CdTe 태양전지의 특징(단점) Cd의 독성 상용화의 걸림돌 Recycle System의 개발로 해결 모색

l-lII-Vl족 화합물계 : CuInSe2, CuInS 등 l-lll-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지 l-lII-Vl족 화합물계 : CuInSe2, CuInS 등 흡수 계수가 높고 안정성이 뛰어나 저가 고효율화 가능한 재료로 선진국에서 집중 연구 개발

CuInSe2태양전지의 구조 박막 형태로 제작 이종접합 구조 (hetero junction) Window layer CdS층 사용(n형)

CuInSe2태양전지의 특징(장점) 광 흡수 계수가 반도체중 가장 높다. 1~2㎛의 박막 두께로도 고효율 태양전지 제작가능 직접 천이형 에너지 밴드 갭을 가지고 있으며 광 흡수 계수가 1x10^5cm-1으로 가장 높다. 1~2㎛의 박막 두께로도 고효율 태양전지 제작가능

CuInSe2태양전지의 특징(장점) 밴드 갭 조절이 쉽다. 효율의 상승 CuInSe2는 밴드 갭이 1.04eV로 이상적인 밴드 갭 1.4eV로 맞추기 위해 ln의 일부를 Ga, Se일부를 S로 치환하여 조절할 수 있다. 효율의 상승

미국 NREL ( National Renewable Energy Laboratory) CuInSe2태양전지의 특징(장점) 신뢰성이 좋다. 미국 NREL ( National Renewable Energy Laboratory) 신뢰도 평가 시험 실시 옥외에서 효율 실험하여 10년경과 후에도 효율 변화없음

Recycle System의 개발로 해결 모색 CuInSe2태양전지의 특징(단점) ln과 Ga의 부존량과 가격 문제 상용화의 걸림돌 Recycle System의 개발로 해결 모색

화합물 반도체 태양전지 국내 기술개발 투자비

Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 변환 효율의 극대화 다중접합태양전지 개발

Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황

Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 제조단가의 절감 집광형태양전지 개발

Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황

Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 대용량 발전을 위한 고집광 태양광 발전시스템이다. 일본은 렌즈형 위주로 연구 개발중이다 미국과 호주는 대용량 발전이 가능한 반사형 집광 시스템 상용화에 주력하고 있다.

Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국내 개발현황 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국내 개발현황 효율 향상 공정 개발 한국과학 기술원 Screen printing 법으로 CdTe합성 12% 효율 달성 근접승화법으로 14%효율달성

Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국외 개발현황 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국외 개발현황 CdTe 전지 효율은 NREL의 16.4%가 세계기록 투명전극으로 전도도와 투과도가 좋은 Cd2SnO4와 CdS층 사이에 Zn2SnO4를 buffer layor로 사용

Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국외 개발현황 Ⅱ-Ⅵ족 화합물 반도체 태양전지의 국외 개발현황 전기 저항이 낮은 배만전극의 개발 CdTe층의 전기 전도도 향상 CdTe/CdS 계면의 최적화 투명전극의 개발

참고 문헌 1.전자통신동향분석 제22권 제 5호 2007년 10월 p.86~93