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Nikkei Electronics_2022.2 Hot News (p12-13)

도시바의 아산화동 태양전지
4년 후에 충전 필요 없는 EV 실현?

도시바는 2021년 12월 아산화동(Cu2O)을 p형 반도체로 하는 태양전지(Cu2O 태양전지)에서 변환 효율 8.4%를 달성했다고 발표했다. 이 수치는 2017년에 가나자와공업대학이 발표한 8.23%를 웃돌면서 세계 최고 수준을 기록했다. 이 Cu2O 태양전지를 결정 Si 태양전지에 겹쳐 ‘4단자 탠덤’으로 한 태양전지의 종합적인 변환 효율은 27.4%로 시산할 수 있다고 한다.

앞으로 도시바는 이 4단자 탠덤의 변환 효율을 30%로 끌어올려 차량탑재용 태양전지로서 사용해 나갈 생각이다. 맑은 날씨라면 연료나 계통 전력을 통한 충전 없이 하루에 약 39km를 주행할 수 있는 EV를 실현할 수 있다고 한다.

Cu2O 태양전지는 동박(Copper Foil)이라고 하는 흔한 재료를 기본으로 하기 때문에 저비용으로 제조할 수 있다는 기대에서 1950년대부터 연구되고 있었다. 그러나 2010년까지는 변환 효율이 2%대가 고작이었다. 11년 3월에 가나자와공업대학이 간신히 변환 효율 3.26%를 달성했다. 가나자와공업대학은 그 이후 12년에 5.38%, 15년에 6.1%, 17년에는 8%대로 급속히 변환 효율을 높여왔으나 지난 4년 동안은 답보 상태였다.

이 답보 상태를 깬 것이 이번 도시바의 발표다. 도시바는 동박이 아닌 반응성 스퍼터링 장치라는 반도체에서는 저비용 기술로 Cu2O층을 성막한다. 도시바가 19년에 발표한 Cu2O 태양전지의 변환 효율은 4.4%였지만 3년도 되지 않아 두 배 가까이 성능을 끌어올렸다. 이 성능 향상은 “Cu2O 발전층의 성막 조건을 최적화해, Cu나 산화구리(CuO)와 같은 불순물을 억제함으로써 실현했다”(도시바).

-- 역할 분담으로 고효율, 저비용으로 --
Cu2O 태양전지의 이론상 변환 효율은 약 20%로 한층 더 높다. 도시바가 주로 상정하는 것은 이 태양전지를 단독으로 사용하기 보다는 오히려 결정 Si 태양전지 위에 붙여 사용하는 4단자 탠덤 태양전지로서 이용하는 것이다.

이유는 Cu2O의 밴드갭이 2.2~2.6eV로, 나트륨(Na) 등을 첨가해도 2eV 전후로 넓기 때문이다. 이는 태양광 중 파란색~주황색과 약간 파장이 짧은 빛을 흡수해 전력으로 변환하는 데 적합하다는 의미다.

반면 결정 Si는 밴드갭이 1.1eV로 좁아, 주황색~근적외선이 발전에 사용되는 주요 파장대다. 이 2종류의 재료를 이용한 태양전지를 조합함으로써 보다 폭넓은 파장의 빛을 발전에 이용할 수 있다. 도시바에 따르면, 이론상의 변환 효율은 38.3%라고 한다.

화합물 반도체를 이용한 태양전지에서는 그러한 초고효율을 이미 실현했지만, 가격은 일반 태양전지의 수십~수백 배로 비현실적일 정도로 비싸다. 한편, Cu2O 태양전지와 결정 Si 태양전지로 이루어진 4단자 탠덤이라면, 가격 상승을 최소한으로 억제한 채로 변환 효율을 높일 수 있을 가능성이 있다.

-- 내구성으로 페로브스카이트에 대항 --
또한 결정 Si 태양전지와 겹친 4단자 탠덤에서는, 도시바도 개발 중인 페로브스카이트 태양전지가 한 발 앞서 변환 효율 30%대를 달성했다. 변환 효율 27% 정도의 2단자 탠덤 제품은, 이르면 22년 초에 영국의 벤처기업 Oxford PV가 양산을 시작하는 단계가 되었다.

다만 페로브스카이트 태양전지는 낮은 내구성이 과제다. “페로브스카이트 태양전지는, (물이나 산소에 약해서) 봉지를 하지 않으면 곧바로 열화해 사용할 수 없게 된다. 그러나 이 Cu2O 태양전지에는 큰 열화 요인이 없기 때문에 봉지를 하지 않아도 당분간은 이용할 수 있을 가능성이 있다”(도시바). 구체적인 내구성 데이터는 아직 없는 것 같지만 높은 내구성이 페로브스카이트 태양전지에 대한 우위점이 될 것으로 보인다.

도시바는 페로브스카이트 태양전지와의 구분에 대해서, “페로브스카이트 태양전지는 당분간 단독(단접합(Single Junction))으로 사용해, (저렴한 비용을 활용하여) 건물 등 움직이지 않는 것을 폭넓게 커버한다. 한편, 이 Cu2O 태양전지는 결정 Si 태양전지와 겹친 4단자 탠덤으로 그 높은 출력을 활용해 자동차 등 움직이는 것, 즉 각종 모빌리티에 적용해 나간다”(도시바).

-- 이르면 2025년도에 4단자 탠덤으로 실용화 --
도시바는 향후 Cu2O 태양전지 단체의 변환 효율을 10%로 높이고, 동시에 결정 Si 태양전지 단체의 변환 효율을 이번의 19%에서 20%로 높여 4단자 탠덤에서의 변환 효율 30%를 목표로 한다. 23년도에 샘플을 출하하고, 25년도에는 실용 사이즈 제품의 제조 기술을 확립하는 것이 목표다. Cu2O 태양전지 단체의 고성능화는 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 위탁사업이지만, 이미 21년 봄부터는 도시바와 도시바 에너지 시스템즈가 독자 자금으로, 발전 구역 사방 4cm의 대형 4단자 탠덤 태양전지 모듈을 개발 중이라고 한다.

또한 4단자 탠덤은 2개의 셀을 전기적으로 직렬로 연결하는 2단자 탠덤에 비해 변환 효율을 높이기 쉽다. 그리고 특히 빛의 입사 각도가 바뀌어도 변환 효율이 급감하기 어려운 강점이 있다. 그러나 지금까지 양산된 4단자 탠덤형 태양전지는 아직 없다.

이에 대해 도시바는 “(4단자 탠덤형 태양전지의 양산 사례가 없는 이유는) 일반적으로는 배선이 부피가 클 것 같다, 또는 파워 컨디셔너를 2대 준비해야 하기 때문에 경제적이지 않다고 생각하기 때문이다. 그러나 구체적으로 검토해 보니 배선은 의외로 컴팩트하게 할 수 있을 것 같다. 또한 파워 컨디셔너의 경우는, 다른 태양광 발전에서도 발전 규모를 크게 하면 여러 대를 도입해야 하므로 4단자 탠덤이 특별히 불리해지는 것은 아니다”라고 말한다.

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