1. 서 론

태양광 발전이 대규모 발전시설에 사용되고 그리드 패리티(grid parity)를 달성하기 위해서는 집광형 태양전지(concentrator photovoltaic) 시스템을 통하여 태양전지 면적을 줄임으로써 셀 생산단가를 낮 추고 집광도를 높여 태양광 발전의 균등화 발전비용(levelized cost of electricity)을 낮추어야 된다[1]. 이러한 경제성을 달성하기 위해서는 300~1,000배의 고집광이 요구되는데 현재 태양광 패널의 대부분을 차지하는 실리콘은 간접천이형 밴드갭을 갖기 때문에 100배 이상의 집 광형에는 사용되기 어렵다. 고집광형 태양전지(high concentration PV) 로는 보통 직접천이형 밴드갭을 갖는 III-V 화합물 반도체 태양전지가 가장 유망하다[2,3]. 고집광 대규모 발전에서 III-V 화합물 반도체 태양 전지를 사용할 경우 최저 LCOE이 달성될 수 있다고 예측되었다[4]. 고집광형 모듈 또는 시스템에서는 서로 다른 밴드갭 에너지를 갖는 반도체를 적층하여 넓은 태양광 스펙트럼영역에 반응하고 단락 전류 전압을 증가시킬 수 있는 다중접합 태양전지(multi-junction photovoltaic cell)를 사용한다. 다중접합 태양전지에는 GaInP, GaAs, InGaAs, Ge 둥의 반도체가 사용되는데 이런 반도체 물질의 pn 접합으로 이루 어진 각각의 sub cell들은 높은 도핑 농도의 p-n 접합으로 이루어진 터 널접합(tunnel junction)을 각각의 sub cell의 사이에 넣어 적층한다. 사 중 접합(4-junction) 태양전지에서는 집광 조건(327 suns)에서 43%의 효율이 보고되었다[5,6]. 다중접합 전지는 가장 높은 효율을 얻을 수 있지만 에피층의 성장이 복잡하다. 그리고 총 변환 전류는 가장 낮은 전류를 발생시키는 서브 셀에 의해 제한되기 때문에 각 서브 셀에서 생성되는 광전류가 일치하도록 설계되어야 한다. 이처럼 다중 접합 태양전지는 서로 다른 밴드갭의 반도체를 적층하여야 하기 때문에 격 자상수 차이(lattice mismatch)에 의한 변형(strain)에 대해서도 고려되 어야 한다[7,8]. 격자상수의 차이가 큰 경우 서로 다른 기판(위에 태양 전지를 만들고 이를 기판의 접합(wafer bonding)을 통해 다중접합 셀 을 제작하는 방법도 보고되었다[9,10]. 따라서 III-V 화합물 태양전지 가 실제 발전시설에서 응용되기 위해서는 좀 더 단순한 구조를 갖는 에피 구조를 통한 효율개선이 추구되어야 할 필요성이 있다.

GaInP은 보통 밴드갭이 가장 큰 top cell로 가장 일반적으로 선택되 는 물질이고 AlGaInP는 다중 접합 태양전지에서 대부분의 빛을 투과 시키는 입사광 창층(window layer)으로 선택되는 물질이다. 현재까지 대부분의 연구는 각 서브 셀들이 동종접합 구조를 갖는 구조에 대한 연구가 주를 이루었다. 이 연구에서는 GaInP pn 동종접합(homojunction) 대신 p-GaInP/N-AlGaInP 이종접합을 제안하였다. 고분자 태양전 지에서는 이러한 이종접합(bulk heterojunction)이 가장 고효율을 얻는 구조로 적용되고 있다[11]. 기존의 단일 p-n 접합에서는 태양광에 의 해 생성된 전자-양공이 공핍층(depletion region)에서 주로 생성된다. 입사광의 세기가 매우 큰 집광형 태양광의 경우 단일 p-n 접합에서는 증가된 입사광에 의해 공핍층(depletion region)에 생성된 전자-양공의 수가 증가하게 되고 charge screen 효과가 훨씬 커진다. 따라서 전자의 이동이 느려지게 되면 재결합의 확률이 커지므로 전류 변환효율이 낮 아지게 된다. 이러한 공핍층에서의 재결합을 Sah-Noyce-Shockley 재 결합이라고 한다[12]. 염료감응형 태양전지에서도 전극의 도핑을 통 해 재결합을 줄여 변환효율을 증가시킨 연구가 보고되었다[13]. 이 연 구의 GaInP/AlGaInP 이종접합은 생성된 전자가 N층을 통과하는 동안 에 이 층에서 태양광에 의해 전자-양공이 생성이 거의 없게 하면 전자 의 재결합 확률이 감소하게 되고 셀의 변환효율 증가가 가능하다는 점에 착안하여 제안되었다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합 태양전 지의 특성을 집광 조건하에서 측정하여 제안된 이종접합 구조가 기존 의 pn-GaInP 동종접합을 대신하여 다중 접합 구조 태양전지에서 sub cell로 응용될 가능성에 대하여 조사하였다.

2. 실 험

Figure 1은 이 연구에 사용된 에피(epitaxial) 구조를 나타낸다. 이 구 조는 n-GaAs 기판 위에 한국 나노 기술원에서 유기금속화학증착(metal organic chemical vapor phase deposition, MOCVD) 장비를 이용하여 성장하였다. 에피구조는 GaAs 기판 위에 200 nm n-GaAs n ohmic contact층, 30 nm N-InAlP 후면전계(back surface field, BSF)층, 800 nm N-AlGaInP (E_g = 2.2 eV) 베이스층, 600 nm p-GaInP (E_g = 1.85 eV) 에미터(emitter)층, p-InAlP 윈도우층(E_g = 2.36 eV)과 맨 위에는 옴 접합(ohmic contact)을 위한 200 nm p-GaAs층으로 이루어져 있다. 각 에피층은 GaAs에 격자정합(lattice match) 구조로 설계되었다. (100) 표면이 <111>A 방향으로 2° off 된 웨이퍼와 10° off 된 서로 다른 off cut 방향을 갖는 두 종류의 GaAs 기판이 사용되었고 두 종류의 기판 위에 성장된 태양전지의 동작 특성을 비교하였다.

태양전지의 제작은 후면 n 전극 금속의 증착을 위해 전면을 photoresist로 코팅하여 보호하고 n-전극인 AuGe/Ni/Au (80 nm/80 nm/400 nm)를 GaAs 기판의 후면에 증착하였다. 전면의 p-전극은 포토레지스 트(photoresist)를 코팅한 후 노광장비를 사용하여 그리드 패턴을 형성 하고 e-beam 증착기를 이용하여 Ti/Pt/Au를 증착한 후 리프트 오프 (lift-off) 공정으로 생성하였다. 열처리(annealing) 과정을 통해 옴(ohmic) 전극을 형성하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 2는 AM 1.5G (air mass 1.5 global, 1 sun 조건)에서 태양전 지의 전류 밀도와 전압특성을 나타낸다. 이 연구에서 태양전지는 반 사방지막(antireflection coating, ARC)이 증착되지 않은 상태에서 측정 되었다. Figure 2 (a)는 2 × 2 mm² 면적의 태양전지의 측정결과로 태 양전지 전면 전극은 폭 20 μm, 간격 374 μm인 라인이 가로와 세로로 교차하는 격자형이다. 태양전지 금속 전극에 의해 입사광을 가리게 되는데(shadowing effect) 이 태양전지는 전체 2 × 2 mm² 면적의 20% 에 해당된다. 단락전류밀도(short-circuit current density, J_sc)는 10° off 된 기판 위에 성장한 태양전지에서는 9.21 mA/cm², 2° off 된 기판 위 에 성장한 태양전지에서는 6.81 mA/cm²이 측정되었다. 개방전압 (open-circuit voltage, V_oc)은 10° off 기판 위의 셀은 1.38 V, 2° off 된 기판 위의 셀은 1.37 V가 측정되었다. Figure 2 (b)는 5 × 5 mm² 면적 의 태양전지의 경우에는 10° off 기판 위의 태양전지에서는 J_sc = 6.54 mA/cm², V_oc = 1.38 V가 각각 측정되었고 2° off 기판 위의 태양전지 에서는 J_sc = 4.84 mA/cm², V_oc = 0.98 V가 각각 측정되었다. 이 태양 전지들의 전면 전극은 폭 50 μm, 간격 920 μm인 라인이 가로와 세로 로 교차하는 격자형으로 15%의 셀 면적이 금속전극에 의해 가려진다. 두 경우 모두 10° off 기판 위의 태양전지에서 J_sc가 35% 증가한 결과를 얻었다. GaAs substrate의 off 방향에 따라 에피성장 과정 중 n-GaAs 접합(contact)층과 GaAs buffer layer 사이에 산소원자의 흡착정도가 달 라지는데 산소 불순물은 비복사 재결합(nonradiative recombination)의 중심이 되는 것으로 알려져 있다[14]. 이 연구에서 사용된 2° off 기판 에 성장된 에피층은 10° off 기판에 성장된 에피층보다 20배 높은 산 소 불순물(impurity) 농도 차이가 측정되었고 이 불순물 농도차이가 J_sc의 큰 차이를 만들어 낸 것으로 분석되었다[15]. 2° off 기판 위에 제작된 태양전지의 경우 태양전지의 병렬저항(shunt resistance, R_sh)이 낮아서 전류밀도-전압 특성곡선에서 전압이 증가함에 따라 전류가 급 격히 감소하는 특성을 나타냈고 이는 누설전류(leakage current)가 크 기 때문이다. 그 결과 10° off 기판 위에 제작된 태양전지보다 낮은 변환효율(conversion efficiency)을 나타냈다. 변환효율은 2 × 2 mm² 면적의 태양전지의 경우 10° off GaAs 기판에서 8.6%, 2° off GaAs 기판에서 3.0%를 얻었고 5 × 5 mm² 면적의 태양전지에서는 10° off GaAs 기판에서 6.0%, 2° off GaAs 기판에서 2.1%를 각각 얻었다. 여 기서 측정된 태양전지들은 반사막 없이 측정되었는데 윈도우 층으로 사용된 AlInP의 경우 파장 600 nm 근방에서 굴절률이 3.3 정도로 약 27%의 빛을 표면에서 반사한다는 사실도 단락전류와 효율과 관련해 서 고려되어져야 한다[16].

Figure 3은 10° off 기판 위에 제작된 5 × 5 mm² 태양전지의 집광도 에 따른 단락전류밀도-전압특성 곡선이다. 높은 집광도에서의 측정을 위해서는 집광에 의해 발생되는 열이 셀에서 잘 외부로 전달되어야 하기 때문에 보통 태양전지의 후면에 수 μm 두께의 금속을 전기도금 (electroplating)하는 공정이 필요한데 이 연구에서 측정된 셀들은 전기 도금 공정을 하지 않았기 때문에 1 sun에서 20 sun까지의 집광 조건 까지 측정하였다. 집광도가 증가함에 따라 단락전류밀도 J_sc는 1 sun 에서 6.5 mA/cm², 2 sun에서 13 mA/cm², 4 sun에서 27 mA/cm², 6 sun 에서 40 mA/cm², 8 sun에서 53 mA/cm², 10 sun에서 66 mA/cm², 20 sun에서 132 mA/cm²로 집광도에 따라 선형적으로 증가했다. 20 sun 까지는 열에 의한 저항증가로 인한 전류감소 효과는 나타나지 않았다. Figure 4는 5 × 5 mm² 태양전지에서 집광도에 따른 개방전압 V_oc의 변화를 나타낸다. 10° off 기판의 태양전지에서의 개방전압은 입사하 는 태양광의 증가에 따라 크게 변하지는 않았는데 개방전압은 1 sun 조건에서 1.38 V로부터 20 sun 조건에서의 1.46 V까지 0.08 V 증가했 다. 반면 2° off 기판의 태양전지에서는 1 sun 조건에서 0.98 V로부터 20 sun 조건에서의 1.41 V까지 0.43 V로 상대적으로 크게 변했다. 이 는 병렬저항의 값이 낮으면 누설전류가 커서 빛의 세기가 낮은 경우 더 큰 영향을 미치는데 입사광의 증가에 따라 단락전류가 선형적으로 증가한 효과가 전류-전압 특성곡선의 이동에 의한 결과이다.

변환효율(conversion efficiency)과 곡선인자(fill factor)는 Figure 5에 표현되어 있다. Figure 5 (a)에 나타난 10° off GaAs 기판 위에 제작된 태양전지의 경우 1 sun 조건에서 변환효율은 6.03%였고 집광도가 증 가함에 따라 감소하여 20 sun 조건에서 5.28%의 값이 얻어졌다. 전류 밀도-전압특성곡선(Figure 3)에서 단락전류밀도는 집광도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였고 개방전압(Figure 4)도 집광도에 따라 약 간 증가하기는 하였으나 최적 동작전류와 최적 동작전압이 집광도가 증가함에 따라 감소하였기 때문에 곡선인자가 0.68에서 0.56로 감소 하면서 전체 변환효율이 감소하게 되는 결과로 나타냈다. 전류밀도- 전압 특성곡선(Figure 3)으로부터 얻은 1 sun 조건에서의 태양전지의 직렬저항(series resistance, R_s) 값이 70 Ω의 값을 나타냈는데 변화곡 선인자가 감소된 원인으로는 이처럼 상대적으로 큰 R_s가 원인으로 추 정된다. 직렬저항은 p와 n 접촉(contact)저항에 의해 영향을 받는데 접 촉저항의 감소를 위해서는 GaAs contact층의 도핑농도의 최적화가 필 요할 것으로 보인다. Figure 5 (b)에 나타난 2° off GaAs 기판 위에 제 작된 태양전지의 경우는 집광도가 증가함에 따라 1 sun에서 12 sun까 지는 2.1%에서 2.3%까지 증가하였으나 그 이후부터 감소하여 20 sun 조건에서 2.2%의 값을 얻었다. 2° off 샘플의 경우 변환효율의 증가는 개방전압 V_oc의 큰 변화에 의해 발생된 것으로 생각된다.

이 연구에서는 기존의 pn 동종접합 GaInP를 p-GaInP/N-AlGaInP의 이종접합으로 대체하여 변환효율의 증가 가능성을 살펴보았다. GaAs 기판의 off-cut 각도에 따른 산소 불순물(impurity)의 흡착은 집광 측정 시에도 태양전지의 성능 특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 이 연구에서 이종접합 태양전지의 에피층 최적화가 이루어지지 않아 서 효율이 증가되는 결과를 얻지는 못하였지만 p-GaInP와 N-AlGaInP 층에서의 두께와 도핑농도에 대한 최적화를 통하면 변환효율이 증가 의 가능성은 충분함을 알 수 있었다. 대부분의 태양광의 흡수가 일어 나는 p-GaInP층의 두께가 600 nm로 상대적으로 얇은 층이 사용되었 는데 이 에피층의 두께를 증가시키면 단락전류의 개선이 가능하고 800 nm 두께의 N-AlGaInP층을 얇게 하여 태양광에 의해 생성된 광전자가 이동하는 동안 재결합 확률을 줄인다면 전하의 수집확률을 높아져 변 환효율이 증가될 것으로 생각된다. 제안된 GaInP/AlGaInP 이종접합 구조의 최적화를 통해 변환확률의 증가가 얻어진다면 이를 다중접합 구조 태양전지의 맨 위의 서브 셀(top subcell)에 적용시킬 수 있을 것 으로 생각된다.

4. 결 론

p-GaInP/N-AlGaInP의 이종접합 에피 구조를 제안하고 이 구조가 기존의 pn-GaInP의 동종접합을 대체하여 변환효율을 증가시킬 수 있 을지에 대하여 집광 조건 하에서의 작동 특성에 대하여 조사하였다. 1 sun 조건하에서 10° off 된 기판 위에 제작된 2 × 2 mm² 면적의 태 양전지에서 9.21 mA/cm²의 단락전류밀도와 1.38 V의 개방전압, 8.2% 의 변환효율이 얻어졌다. 집광 조건 하에서 10° off 기판 위에 제작된 5 × 5 mm² 태양전지의 전류-전압특성 곡선에서 단락전류는 1 sun의 6.5 mA/cm²로부터 20 sun에서 132 mA/cm²로 집광도에 따라 선형증 가 하였으나 상대적으로 큰 직렬저항 값으로 인해 곡선인자가 감소하 여 변환효율은 6.03% (1 sun)에서 5.28% (20 sun)로 감소하였다. 2° off 된 기판 위에 제작된 태양전지는 높은 병렬저항으로 인해 10° off 기판 위에 제작된 태양전지에 비해 낮은 단락 전류와 변환효율을 나 타냈다.