윤 호 준 솔러지 태양전지기술 이사

CPV와 우주항공 애플리케이션용 고효율 다중접합 태양전지의 세계적 공급업체인 스펙트로랩에서 보잉사 기술 고문으로 활동해온 윤호준 박사는 40% 이상의 효율성을 갖춘 최초 태양전지 기기의 연구를 포함해, III-V 다중접합 태양전지의 다양한 연구개발 활동에 참여했다. 러트거스뉴저지주립대학교 응용공학 학사학위와 로스엔젤레스캘리포니아대학 소재과학공학 석사학위 및 박사학위를 받은 바 있는 그는 반도체 소재·장치와 관련된 논문을 30편 이상 발표했으며, 태양전지와 관련된 3개의 특허(하나는 현재 특허 신청 중에 있음)를 갖고 있다.

요아브 바닌(Yoav Banin) 솔러지 CEO

솔러지의 공동 창업자이자 CEO로 활동 중인 요아브 바닌 박사는 혁신적인 첨단 제품의 개발과 판매를 담당하는 팀을 이끌면서 이 분야에서 15년 동안의 작업 경험을 갖고 있다. 그는 UC버클리대학 응용소재학 명예학사 학위에 이어 스탠포드대학 소재과학공학 석사학위를 받았으며, 머큐리인터액티브에서 제품이사를 역임하면서 3년간 5,000만달러 이상의 수익을 창출한 소프트웨어를 개발·출시한 바 있다.

비용에 민감하게 반응하는 PV 산업에서는 낮은 에너지 생산비용이 경쟁력 확보에 중요한 부분을 차지한다. 이에 대해 CPV 시스템의 높은 효율성은 이 생산비용을 낮추는 데에 일조하며 에너지 경쟁력을 가져다준다. 그러나 만일 CPV 시스템의 핵심요소들, 예를 들어 광학, 추적·배열, 열관리, 태양전지 중 하나라도 결핍되거나 부족하다면 이는 전체 시스템 성능에 해로운 영향을 미치게 된다. 그 중 광학은 이 CPV 시스템의 핵심 요소들 중에서도 가장 중요한 요소이다. 이 기사에서는 최근에 도입된 유리 위 실리콘(SOG : Silicone On-Glass) 설계뿐 아니라 광범위하게 사용되는 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 렌즈에 비해 모든 유리 굴절렌즈의 이점에 특히 초점을 맞추어 CPV 광학에 있어서 소재 선택이 얼마나 중요한지를 설명하고자 한다(이 기사는 HCPV를 집중적으로 다루며, HCPV와 동의어로 CPV가 여러 번 사용될 것을 미리 알린다).

CPV의 간략한 개요와 삼중합점 CPV 전지의 특징

모든 PV 기술은 시스템에서 생산되는 전기의 비용 최소화를 목표로 한다. CPV는 태양전지에 태양광을 모으고 전달하는 과정에서 저렴한 소재를 이용하고 고가의 태양전지 소재 사용을 최소화해 이러한 전기 생산비용의 최소화를 꾀한다.

CPV 시스템의 기본 요소에는 광학이 있다. 광학은 더 상세하게 두 가지 범주로 나누어진다. 그 중 하나는 굴절되거나 반사되는 주 광학이며, 다른 하나는 포인트 포커스나 밀집한 어레이인 집광 방법이다. 이번 기사에서는 주로 선택되는 굴절 포인트 포커스 접근법과 함께 비교를 위한 기준으로 추적(2-축), 고효율 태양전지, 열 관리를 이용해 주제를 다룰 것이다. 추적(2-축), 고효율 태양전지, 열 관리·광학을 사용해(HCPV의 경우에는 일반적으로 500~1,000배로) 태양광이 소형 고효율 태양전지로 모아진다. 이 소형 고효율 태양전지의 크기는 보통 0.3~1.0cm 수준이다. CPV는 보통 직달일조(DNI) 태양광만을 사용하기 때문에 태양광의 추적을 위해서는 항상 태양을 정확하게 쫓는 기술이 요구된다. 이것은 추가적으로 비용이 드는 부분이지만 고정된 평판형 태양전지 패널과 비교하면 30~40% 이상의 에너지 생산이 가능하다. 태양광의 집광과 관련해 광손실이 있지만 삼중합점(3J) CPV 태양전지의 40%에 가까운 효율성은 DC 모듈의 효율성을 30% 이상 수준으로 끌어올릴 뿐 아니라 AC 시스템 효율성은 25% 이상으로 상승시킨다. 따라서 다른 PV 기술과는 달리 이 효율성 수준은 향후 얼마든지 더 높아질 가능성이 있다.

이번 기사에서는 3J CPV 전지 특징에 대한 간략한 개요와, 특히 3J 중에서도 전류 분포에 대한 영향과 기본 설계에 대해 설명하고자 한다. 우주항공 기술 분야에서 사용할 목적으로 최초로 개발된 이 III-V 전지 기술과 관련해서는 수많은 참고자료를 쉽게 활용해볼 수 있다2). 그림 1에서 일반적인 3J CPV 전지와 기존의 전통적인 Si 전지에 대한 간단한 기본적 비교가 제시되어 있다. 이 비교에서는 3J 전지의 태양광 스펙트럼 이용이 훨씬 더 효율적이라는 점이 강조되어 있다. 상중하로 흔히 이야기하는 3J는 일반적으로 각각 GaInP, GaInAs, Ge을 사용해 만들어진다. 이들은 차례로 더 낮은 띠 간격을 갖고(~1.85eV, ~1.4eV, 0.67eV) 적절한 빛 흡수와 전달을 가능하게 한다. 최소형의 전류 생산 접속점에 장치 Isc를 한정시키는 일렬로 연결된 3J 전지의 특성 또한 설명된다. 마지막 요소를 이해하는 것이 중요한데, 그 이유는 개별 접속점의 전류 출력에 영향을 미치는 요인들은 여러 가지가 있기 때문이다. 즉, 태양광 자체의 자연적인 변화와 광학적 설계, 그리고 전지의 스펙트럼 반응의 편차 같은 전류 출력에 영향을 미치는 요인들이 존재한다.

일반적인 3J CPV 전지는 AM1.5D 스펙트럼(ASTM G173)에 따라 설계되는데, 상부와 중간 부분의 접속 지점은 대략 동일한 양의 전류를 생산하고 하부 접속 지점은 일반적으로 상부나 중간 접속 지점의 약 50% 이상 혹은 1.5배를 생산한다. 이것은 그림 2의 막대그래프에서 제시되어 있는데, 여기에서 1의 값은 상부와 중간 접속 지점에 할당되어 있다(14mA/cm2의 전류 밀도는 AM1.5D, 1-sun, 1,000W/m2 하에서 얻어진다). 다음 단락에서는 주 광학의 효과적인 광학적 효율성을 수량화하는 하나의 방법으로 정상화된 1의 값에 대해 분석을 해보고자 한다.

광범위하게 사용되는 주 광학의 한계(PMMA)

현재 CPV 업체들이 사용하는 주요한 광학 설계는 최근에 도입된 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)나 SOG를 사용해 만들어지는 굴절 프레넬 광학을 기반으로 하고 있다. 모든 PV 시스템에 전제조건인 장기적인 내구성 문제는 SOG 설계에서 제기되지 않는다. 예컨대 PMMA의 광학적 기계적 자질의 손상을 강조하는 많은 연구들이 있어 왔다3). 이러한 광학적 기계적 자질의 손상은 분명히 제품의 유효 수명을 단축한다. 그리고 SOG 설계는 앞 표면이 유리라는 장점이 있고, 프레넬 구조는 실리콘을 이용해 만들어 아랫면의 유리에 부착된다. 이러한 복합 구조는 매우 다른 열팽창 자질을 가진 두 개의 소재를 결합하기 때문에 높은 기계적 안정성을 유지하는데 도전이 된다(예를 들어 광학 효율성에 직접적인 영향을 미치는 부착 형태). SOG는 새롭게 도입된 기술인만큼 처음에는 높은 성능을 보이지만 오랜 시간이 흐르면서 현장 성능이 어떻게 나타나는지는 아직 별로 알려진 바가 없다. 이러한 문제들을 다루는 보고서들이 최근의 한 학회에서 발표된 바가 있다4).

그림 3은 평판형 PV, 일반적인 CPV, 고정밀 전유리 렌즈 CPV 모듈을 설명하고 있으며, 각각의 소재에 사용된 앞 표면 소재를 강조해 보여주고 있다. CPV에 있어서 앞 표면 소재는 이중적인 역할을 해야 한다. 즉, 모듈을 보호하는 기능과 태양광의 집광 기능이 그것이다. 고정밀 전유리 렌즈 CPV는 앞 표면에 유리를 사용하는 전통적인 평판형 모듈로 인해 이미 내구성이 입증되었다. 그림에서 제시된 구성은 아직 PV 시스템에 필요한 수명을 보장하면서 태양광 추적 기능이 입증되지 않은 PMMA 혹은 SOG의 불확실한 기능과 비교하면 고정밀 전유리 렌즈의 내구성이 확실히 보장된다는 것을 보여주고 있다.

그림 4는 실제 CPV 유리렌즈에서 직접 절단한 유리 샘플(10mm)에 비해 일반적인 PMMA(5mm)의 광전송 특성을 비교 설명한다. 유리는 전체 광파 영역에서 높은 광전송 특성을 보이지만 PMMA는 가시광선 내에서는 높은 광전송율을 보이는 반면 IR 스텍트럼에서는 전송 장애를 보인다. 두께에 따라 전송 장애 정도가 달라진다.

3J CPV 전지와 관련될 경우 새로운 PMMA 렌즈에서 초래되는 광 손실은 그림 5에서 제시된다. 한 가지 예로 그림 4에서 제시되는 PMMA 전송 곡선은 유색 부분에서 제시된 축소·변형을 가진 AM1.5D 스펙트럼에 적용되었다. 여기에서 반드시 지적해야 할 것은 하부의 접합에서 이용 가능한 빛이 줄어든다는 것이다. 변형되지 않은 스펙트럼의 경우에는 50%까지인데 반해 과전류는 30%까지 줄어든다. 그림 4의 편평한 유리 전송 곡선에서 볼 수 있듯이 유리에 대해 실시한 동일 분석의 결과 하부 접합에 과전류의 양이 변화되지 않았음을 알 수 있다(즉 50%까지 과전류를 유지한다). 다행히도 이러한 축소가 있는 경우에는 PMMA에 있어서 하부 접합은 전체 3J 장치 성능에는 거의 영향을 미치지 않는 정도로 과전류가 있다는 것이다. 사실 막대그래프의 전류 제한 값에서 제시된 대로 효과적인 광 효율성은 92%까지이며, 이는 반사 손실에 의해서만 제한된다. 그러나 이러한 비 평판형 PMMA 전송은 향후 예를 들자면 Ge 접합이 높은 띠 간격 소재로 대체되는 다중 접합 장치에는 문제가 있을 것으로 예상된다. 이러한 경우 다중 접합 간의 전류 평형은 고효율 장치의 생산에 매우 중요한 요인이 된다.

PMMA 렌즈는 현장 가동의 초기 단계에서는 제대로 성능을 구현할 수 있지만 장기적인 성능 유지는 보장할 수 없다. CPV에서 사용하는 PMMA 렌즈의 내구성에 대한 면밀한 연구가 NREL에서 시작되었고, 황화, 영구적 손상, 기계 균열·침습·뒤틀림을 비롯한 내구성, 신뢰성 문제가 지적되었다. 이 모든 문제들은 PMMA의 광학적 성능에 직·간접적으로 영향을 미친다. 유리와 비교했을 때 높은 수분 흡수, 낮은 화학적 안정성, 낮은 기계강도와 같은 다른 취약한 속성들도 혹독한 야외 환경 하에서 PMMA가 장기간 높은 성능을 유지하는 데 있어 장애 요인이다. 여기에서 우리는 광전송 손실을 다루면서 PMMA의 황화·암화 현상(누렇게 되거나 어둡게 변색되는 현상)을 선택하고 이것이 3J CPV 전지 성능에 미치는 영향을 알아봤다.

노후화된 PMMA 샘플의 심각한 노후화 사례는 NREL 연구에서 선택했고, 그림 6에 제시되어 있다. 이것은 극단적인 사례이지만 PMMA의 광전송에 대한 옥외 노출의 심각한 영향을 잘 보여주는 예이다. 이 예에서는 상부 접합 부위 전체에서 심각한 광 손실이 나타나며, 이는 결국 약 50%의 광 효율성의 결과로 나타난다(그림 2의 기준 사례에서 언급). 영향을 받지 않은 샘플에 비해 이 표본에 상응하는 시각적 황변 현상을 보여주는 광학 사진 또한 이 그림에서 제시된다(참고 3의 상단 오른쪽 그림). 또 다른 예로 하단 오른쪽 사진들은 PMMA 렌즈의 유사한 황변을 보여주는 18 개월 동안 나란히 옥외에서 노후화된 실제 CPV 렌즈(PMMA 대 고정밀 전유리)를 비교했다.  

고정밀 전유리 기본 렌즈를 사용한 CPV 성능

CPV 시스템 제조업체들이 사용한 광학적 설계와는 달리 솔러지의 광학은 주로 장기적인 내구성과 성능을 보장하는 고정밀 전유리 굴절렌즈에 기초한다. 고정밀 전유리 굴절렌즈가 CPV 주 광학에 사용되지 않는 주된 이유는 높은 비용을 투자하지 않고는 정밀도를 갖춘 고효율성 광학렌즈를 대량으로 만드는 것이 불가능하기 때문이다. 비용 면에서 효과적인 CPV 시스템은 500~1,000배 범위 내에서 집광 요인을 요구하기 때문에 실제적인 주 광학은 4~100mm2까지 범위의 전지 크기에 20~1,000cm2 범위의 면적을 필요로 한다. 4~100mm2, 100~30mm2 이상의 전지 크기를 사용하는 CPV 시스템이 많기 때문에 개별 주 광학 면적은 10cm 길이(사각형의 면이나 원의 직경) 이상이 필요하고 100mm2 전지에는 30cm 길이를 초과하는 개별 주 광학 범위가 필요하다. 이러한 범위의 질 좋은 광학 유리렌즈를 저렴한 비용으로 제조하는 것은 결코 쉬운 일이 아니지만 CPV 주 광학에 사용되는 종류의 소재와 연관된 내구성과 성능을 확보하는 것이 가장 큰 관건이다. 솔러지는 넓은 면적의 질 좋은 고정밀 전유리 프라노컨벡스 렌즈를 생산하는 제조방법을 성공적으로 개발했다. 프레넬렌즈 설계보다 무게가 더 무겁지만 프라노컨벡스렌즈는 광 효율성이 더 높고 기계적 강도가 강하며, 높은 정밀도 곡선 표면으로 직경 25cm 이상의 렌즈가 성형을 통해 제조 가능하다. 이 렌즈는 후에 곡선표면 작업이 추가적으로 필요하지 않다. 뿐만 아니라 이 렌즈 디자인은 정교한 프레넬 ‘치아’ 구조가 필요 없고 비용 면에서 효과적인 반 굴절(AR) 코팅을 적용하기 위해 다양한 방향으로 선택할 수 있다.

고정밀 전유리 기존 렌즈를 이용해 CPV 모듈에서 높은 광학적 전기적 성능을 얻고 있음을 보여주는 그림 7은 각각 28.9%, 32.9%의 효율성으로 두 개의 다른 집광기인 집광기 #1과 집광기 #2에서 측정한 옥외 빛 IV 곡선을 제시하고 있다. 각 집광기는 1cm2 전지로 500배까지 집광하는 고정밀 전유리 기본 렌즈로 구성된 단일 렌즈 전지 쌍 장치이다. 집광기 #2의 높은 성능은 주로 고효율 3J 전지뿐만 아니라 유리렌즈 위에 AR 코팅을 사용한 덕분이다. 29.0%의 효율성을 보여주는 그림의 오른 쪽(집광기 #1)의 빛 IV 곡선은 NREL로 측정했는데, 이 측정 결과는 내부에서 측정한 데이터와 일치한다. 이러한 결과는 단일 렌즈-전지 쌍 장치에서 나온 것이지만 크기가 더 큰 모듈 장치(600W 이상)는 28% 이상의 효율성을 달성하고 있다.

고정밀 전유리 렌즈뿐만 아니라 솔러지는 단일 렌즈 전지 쌍을 통합하는 옥수수 모양의 기본 전력 생산에 기초한 독창적인 제품 아키텍처를 선보였다. 그림 3에서 제시된 박스 모양의 모듈과는 달리 옥수수 모양의 집광기는 렌즈와 전지 사이의 직접적인 물리적 조합이 가능하다. 이를 통해 조립 시에, 그리고 시간이 경과하면서 옥외 가동 시에, 정확한 배치가 보장된다. 반면에 박스형 모듈은 립 실수, 박스의 상단과 하부 간에 열팽창 불일치, 그리고 옥외 가동 시에 후속적인 구조 변형 때문에 렌즈-전지 쌍의 일부에서 잘못된 배치로 인해 여러 문제들에 노출된다.

그림 8은 고정밀 전유리 기본 렌즈를 사용한 결과 얻어진 높은 광학적 전기적 효율성을 단적으로 보여준다. Isc vs. DNI(W/㎡)는 그림 7에 제시된 두 개의 집광기인 집광기 #1과 #2에서 측정된 빛 IV 데이터를 사용해 배치되었다. 다양한 측정점이 배치되어 Isc vs. DNI.의 실질적인 선 상태를 보여준다. 집광기의 전체 효율성을 제시하는 한 방법으로 100%와 80% 효율을 나타내는 두 개의 비교 선이 제시되었다(이때의 효율은 반 수량적 비교 도구로서 아직 유효하다는 가정 때문에 절대값으로 선택할 수는 없다). 기본 광학 조리개에서 입사 광선인 모든 DNI가 전지에 전이된다면(즉, 광 손실이 제로인 경우) 기대할 수 있는 가설적인 Isc는 100% 선이다. 80% 선은 20% 전체 광 손실을 가정하는 집광기에서 기대되는 Isc이다. 쉽게 알 수 있는 바와 같이 29%까지의 효율을 가진 집광기 #1에서 측정점은 80% 선과 가깝게 배치되고 32.9% 효율을 가진 집광기 #2는 훨씬 더 높은 효율을 나타낸다.

여기에서 입증된 바와 같이 CPV용 고성능, 넓은 면적, 고정밀 전유리 굴절렌즈는 실제로 저가의 대량생산을 위한 토대를 닦는 방식으로 제조될 수 있다. 고정밀 전유리 설계는 PMMA나 SOG 렌즈에서는 불가능한 장기적인 내구성을 보장하는 설계이다. 빛의 추적, 태양전지, 열관리와 같은 다른 요소들이 CPV 시스템의 성공에 동등한 수준으로 중요하지만 고정밀 전유리 굴절렌즈는 CPV 기술의 미래를 약속하는 핵심적인 부분이다.

CPV 주 광학용 고정밀 전유리 굴절렌즈는 성공적인 CPV 시스템에 필요한 장기적인 내구성과 성능을 제공할 것으로 기대된다. 그러나 현재까지 어떤 CPV 시스템도 이러한 구성요소를 도입한 예가 없다. 왜냐하면 우선 첫째로 고효율, 넓은 면적의 고정밀 전유리 렌즈의 생산이 어렵고,두 번째로는 고광학 효율(85% 이상)을 갖춘 넓은 면적의 고정밀 전유리 렌즈의 생산이 어렵고, 세 번째로는 저 비용 생산 방법으로 이를 생산하는 것이 거의 불가능했기 때문이다. PMMA 같은 대체 소재가 광범위하게 사용된 이유는 이러한 소재는 초기 성능, 비용, 하중 변수 간에 적절한 균형을 이룰 수 있지만 장기적인 내구성 문제 때문에 이러한 소재의 사용이 간단한 일만은 아니다. 예를 들자면 황화 현상과 기계적 균열, 연무 현상, 뒤틀림, 영구적인 오염과 같은 이 모든 문제들은 광전송 손실과 시스템의 조기 노후화에 직·간접적으로 영향을 미친다. 고정밀 전유리 굴절렌즈를 사용해 CPV 모듈을 최초 실험한 결과 DC 모듈 효율은 32.9% 수준까지 높은 것으로 밝혀졌다. 이는 견고하고 내구성이 있으며 비용 면에서도 부담이 적은 CPV 시스템 생산을 위한 기초를 마련한 성과라고 할 수 있다. 전지 표면에 균등한 복사의 세기를 분배하고 모든 색수차 효과를 교정하는 렌즈의 광학적 설계와 제조 기법은 현재 특허 신청 중에 있다.

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