전문가들이 미래 태양전지에 대해 이야기할 때 새로운 물질을 발굴하거나 새로운 물리적 현상을 적용할 것이라 예상한다. 그러나 단기적으로 더 쉬운 방법이 있을 수 있다. 바로 다양한 반도체 물질을 적층(Stack)하여 서로 다른 빛의 주파수를 포획하는 일이다.

 

이러한 접근방법은 마치 근본적인 설계를 새롭게 한 것처럼 효율 개선에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다. 그리고 미국의 한 회사가 개발하고 있는 새로운 제조 기술은 이 접근방법을 실용화하는데 큰 도움을 줄 것으로 보인다.

노스캐롤라이나(North Carolina) 주를 기반으로 하는 신생업체인 Semprius사는 효율적인 적층형 태양전지를 빠르고 경제적으로 생산할 수 있는 방안을 확보하였다. 이들은 효율을 최대 50%까지 개선할 수 있다고 밝혔다. 참고로 일반적인 태양전지는 태양광을 전기로 변환하는 효율이 25% 미만이다. Semprius사는 3가지 주요 혁신을 통해 기술을 구현하고자 한다.

 

이들은 값싸고 빠르게 셀을 적층하는 방법, 셀들을 전기적으로 연결하는 고유 기술, 서로 연결된 셀들이 유지될 수 있도록 하는 새로운 방안 등이다. Semprius는 크기가 밀리미터 단위인 소형 셀을 이용하였으며, 이는 냉각 비용을 낮추고 효율 개선에 도움을 준다.

반도체를 적층하기 위한 가장 일반적인 방안은 각각의 상부에 층을 쌓아올리는 것이다. 그러나 이들의 결정질 구조로 인하여 모든 반도체가 이러한 방식으로 연결될 수는 없었다. Semprius사는 이 일반적인 방법을 이용하여 반도체 물질을 성장시켰으나 각기 다른 조합을 통해 적층하였다는 점에서 차이가 있다. 결국 이러한 접근을 통해 태양전지판은 태양광으로부터 더 많은 에너지를 포획할 수 있다.

Semprius는 3종의 반도체 물질이 4번째 셀의 상부에 적층된 태양전지를 이용하여 실증하였다. 그리고 이러한 방식이 아닌 다른 방식으로는 호환되지 않을 것으로 보았다. Semprius는 올해 2종의 셀을 만들었다. 하나는 43.9%의 효율을 가진 것이고, 다른 하나는 약간의 다른 물질을 이용하여 효율 44.1%까지 개선하였다.

 

이러한 접근방식은 빠르고 단순하다는 장점과 함께 다중접합 태양전지가 성장하는 값비싼 결정질 웨이퍼를 재활용할 수 있다는 추가적인 혜택도 있다. Semprius의 부사장인Scott Burroughs는 총 5~6개의 반도체를 사용하는 두 개의 다중접합(Multijunction) 장치를 적층하여 효율 50% 이상의 고성능 태양전지를 제조하기를 바라고 있다고 밝혔다.

Burroughs는 향후 3~5년 이내에 성과가 나타나기를 바라고 있다. 그러나 한 가지 문제점은 일반 전지보다 더 많은 비용을 필요로 한다는 점이다. 미 국립재생가능에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 Sarah Kurtz는 대규모 생산이 이루어져야 가격 하락이 가능할 것이라 밝혔다.

 

그러나 규모의 경제(Economies of Scale)를 통해 태양발전의 경제성을 개선할 수 있다는 장점도 있다. Burroughs는 연간 80~100MW규모를 제조하는 설비에서 50%의 효율을 가진 셀은 kWh당 5센트 미만의 비용이 가능할 것으로 보았다. 참고로 미 에너지정보청(Energy Information Administration, EIA)은 신규 천연가스 발전소 가동 비용이 kWh당 6.4센트가 될 것이라 전망하였다.

[출처 : KISTI 미리안(http://mirian.kisti.re.kr) 『글로벌동향브리핑(GTB)』2014. 08. 12]

 

 

 

 

When experts talk about future solar cells, they usually bring up exotic materials and physical phenomena. In the short term, however, a much simpler approach—stacking different semiconducting materials that collect different frequencies of light—could provide nearly as much of an increase in efficiency as any radical new design. And a new manufacturing technique could soon make this approach practical.

 

The startup Semprius, based in Durham, North Carolina, says it can produce very efficient stacked solar cells quickly and cheaply, opening the door to efficiencies as high as 50 percent. (Conventional solar cells convert less than 25 percent of the energy in sunlight into electricity.)

 

Semprius has come up with three key innovations: a cheap, fast way to stack cells, a proprietary way to electrically connect cells, and a new kind of glue for holding the cells together. In its designs, Semprius uses tiny individual solar cells, each just a millimeter across. That reduces costs for cooling and also helps improve efficiency.

 

The conventional way to stack semiconductors is to grow layers on top of each other. But not all semiconductors can be combined this way, because their crystalline structure doesn’t allow it (see “Adaptive Material Could Cut the Cost of Solar in Half”). Semprius grows semiconductor materials in the conventional way but also stacks several different combinations, resulting in a solar panel that can capture more energy from sunlight.

 

Semprius has demonstrated cells made of three semiconductor materials stacked on top of a fourth solar cell that would not have been compatible otherwise. It has made two versions of the device this year, one with an efficiency of 43.9 percent and the other, using slightly different materials, with an efficiency of 44.1 percent.

 

In addition to being fast and precise, the approach also makes it possible to reuse the expensive crystalline wafers that multijunction solar cells are grown on. Eventually the company hopes to stack two multijunction devices, for a total of five or six semiconductors with a “very high performance, beyond 50 percent efficiency,” says Scott Burroughs, vice president of technology at Semprius. He says the company hopes to achieve this in three to five years.

 

The one catch is that the cells will be more costly than conventional ones. Sarah Kurtz, a principal scientist at the National Renewable Energy Laboratory, says costs won’t come down until production happens at a large scale.

 

With economies of scale, however, such cells could improve the economics of solar power. At a scale of 80 to 100 megawatts a year of manufacturing capacity, a cell with 50 percent efficiency would make it possible to reach costs of less than five cents per kilowatt-hour, Burroughs says. The U.S. Energy Information Administration estimates that new natural-gas power plants will produce electricity at 6.4 cents per kilowatt-hour.

 

[원문출처 : http://www.technologyreview.com/news/529651/stacking-cells-could-make-solar-as-cheap-as-natural-gas/]