미국 해군 연구소(U.S. Naval Research Laboratory)의 전자 기술 및 과학 부문 연구진은 런던 임페리얼

 
대학(Imperial College)과 마이크로링크(MicroLink Devices, Inc.)사 등과 협력하여 현재의 50% 변환 효율 장벽을 깰 잠재력이 있는 새로운 삼중합점 태양전지(triple-junction solar cell)를 개발했다.

 

“이 연구는 새롭고 현실적으로 성취 가능한 격자 정합형 다중 접합 태양 전지 설계를 제공하며, 50%의 전력 변환 효율성을 깰 수 있는 잠재력이 있다. 현재, 세계 기록을 보유하고 있는 삼중접합 태양 전지의 효율성은 그 집중도에 따라 변화 효율성 44%를 기록하고 있으며, 주요한 기술 혁신이 전지의 효율성을 증가시키기 위해서는 꼭 필요하다”고 NRL 물리학자인 Robert Walters 박사가 말했다.

다중 접합 태양 전지(multi-junction (MJ) solar cells)에서, 각 교차점(junction)은 효율성을 향상시키기 위하여 태양 스펙트럼 내의 다른 파장 대역에 대응된다. 높은 밴드갭의 반도체 물질은 긴 파장 부분은 투과되고, 단파장은 흡수하는데 사용된다.

 

이론적으로는 무한 접점 전지는 거의 87%에 달하는 최대 전력 변환 효율성을 달성할 수 있다고 한다. 하지만 심각한 도전은 넓은 밴드갭을 얻고, 우수한 품질로 반도체 물질을 성장시키는 것이다.

새로운 반도체 물질을 탐구하여 스트레인 변형 양자 우물을 통한 대역 구조 공학을 적용함으로써, NRL 연구진은 모든 격자가 인화 인듐(InP) 기판에 정합하는 물질을 가지고, 0.7에서 1.8전자 볼트(eV)의 밴드갭을 직접 성취할 수 있는 다중 접합 태양 전지 설계를 제공하였다.

 

“이러한 광범위한 밴드갭을 이용하여 격자 정합형 물질을 만드는 것은 현재 세계 기록을 깰 수 있는 열쇠이기도 하다. 인화 인듐에 정합하는 격자 물질이 약 1.4전자볼트나 그 이하의 밴드갭을 성취할 수 있다는 것은 이미 잘 알려졌으며, 어떠한 삼원 합금 반도체도 이보다 더 높은 직접 밴드갭(direct band-gap)을 가지고 있지 않다”고 Walters가 말했다.

높은 효율성에 이르게 할 수 있는 주요 혁신은 인화 인듐에 정합하는 격자를 성장시키는 고 밴드갭 물질 층으로서의 InAlAsSb 사원계 합금이었다. 감지기 및 레이저 응용에 적합한 안티몬 기반(Sb-based)의 화합물을 이용하여, NRL 과학자들은 InAlAsSb의 밴드 구조를 모델화하고 이러한 물질이 잠재적으로 1.8전자볼트 만큼이나 높은 직접 밴드갭을 성취할 수 있다는 것을 보여주었다.

 

이러한 결과물과 방사 및 비방사 둘 모두의 재조합(recombination)을 포함한 모델을 사용하여, NRL 연구진은 농축된 직사 일광 조도에 따라 50% 이상의 전력 변환 효율성을 달성할 수 있는 태양 전지 설계를 이루어냈다.

 

최근 미국 에너지부(DOE)와 첨단 에너지 연구 프로젝트 사업(ARPA-E)의 지원을 받은 NRL 연구진은 MicroLink와 로체스터 대학과 협력하여 이러한 새로운 태양 전지 기술을 실현하기 위한 장비 개발 연구에 들어갔다.

그림은 인화 인듐에 정합된(lattice-matched) 격자 물질로 이루어진 최대 효율성을 달성할 수 있는 다중 접합 태양 전지의 개략도이다.