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화합물 반도체 태양전지 학 번 : 이 름 : 최 형 철
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태양전지의 분류
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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
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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
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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
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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.
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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.
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입 사 광 에 너 지 태양광 스펙트럼 불일치 이론한계 효율 단파장 과잉 에너지 장파장 투과 전압인자 손실 태양광 스펙트럼 일치
재결합손실
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태양전지 재료의 밴드갭에 따른 변환이론효율
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GaAs 태양전지의 특징(장점) 고온에서 사용 가능 금지대폭이 넓기 때문에 Si 태양전지와 비교해선 고온에서 사용이 가능하며
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GaAs 태양전지의 특징(장점) 흡수계수가 크다 GaAs는 직접천이형이기 때문에 흡수계수가 크며 태양광을 90%이상 흡수하는데
필요한 두께는 5㎛정도면 충분하다
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방사선에 의한 열화가 Si보다 작다 직접천이형 반도체 소수 캐리어의 수명 이 짧고 방사선에 의한 열화가 Si보다 작다.
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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.
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GaAs 태양전지의 특징(단점) 가격이 매우 비싸다. 상용화의 가장 큰 걸림돌 우주선의 전원 공급용으로 사용 국한
(지상용 태양전지의 가격의 수백 배)
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GaAs 태양전지의 특징(단점) Si에 비해 무겁다. 비중의 차이에 의해 중량당 출력 W/g이 작다. 경량화 제품 개발에 불리
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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.
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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.
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CdTe 태양전지의 구조 박막 형태로 제작 이종접합 구조 (hetero junction) Window layer
CdS층 0.1㎛정도 두께로 사용(n형)
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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
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태양전지 재료별 흡수계수
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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
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CdTe 태양전지의 제조법
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Recycle System의 개발로 해결 모색
CdTe 태양전지의 특징(단점) Cd의 독성 상용화의 걸림돌 Recycle System의 개발로 해결 모색
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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
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CuInSe2태양전지의 구조 박막 형태로 제작 이종접합 구조 (hetero junction) Window layer
CdS층 사용(n형)
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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
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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
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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
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Recycle System의 개발로 해결 모색
CuInSe2태양전지의 특징(단점) ln과 Ga의 부존량과 가격 문제 상용화의 걸림돌 Recycle System의 개발로 해결 모색
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화합물 반도체 태양전지 국내 기술개발 투자비
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Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 변환 효율의 극대화 다중접합태양전지 개발
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Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
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Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황 제조단가의 절감 집광형태양전지 개발
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Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지의 국내외 기술개발 현황
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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.
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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
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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
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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
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참고 문헌 1.전자통신동향분석 제22권 제 5호 2007년 10월 p.86~93
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