고온 방사선에서 7.3% 효율을 달성한 게르마늄 TPV 디바이스

초록

본 논문은 고온 그래파이트 방사체와 고시야계(calorimetric) 측정법을 이용해, 고도 도핑된 p‑형 Ge 기판 위에 제작한 두 종류의 열광전지(standard Au 뒷면 접촉과 PERC 구조)의 실제 변환 효율을 최초로 실험적으로 규명한다. 표준 디바이스는 1480 °C에서 7.3 % 효율과 1.77 W cm⁻²의 전력밀도를, PERC 디바이스는 1426 °C에서 6.3 % 효율과 1.22 W cm⁻²를 기록하였다. 모델링을 통해 자유 전자 흡수가 효율 저하의 주된 원인임을 확인하고, 이상적인 AlN/W 선택적 방사체를 가정했을 때 1800 °C에서 22 % 이상의 효율이 가능함을 예측한다. 또한 InGaAs 디바이스와의 직접 비교를 통해 Ge 기반 TPV가 비용 면에서 경쟁력을 가짐을 입증한다.

상세 분석

이 연구는 TPV 효율 측정에 있어 가장 신뢰할 수 있는 방법인 고시야계(calorimetry)를 적용함으로써, 기존 문헌이 주로 가정에 기반한 반도체‑광학 모델에 의존해 왔던 한계를 극복했다. 두 디바이스 모두 동일한 10¹⁷ cm⁻³ 고도 도핑 Ge 기판을 사용했으며, 차이는 뒷면 접촉 구조에 있다. 표준(standard) 구조는 Au 금속을 직접 증착한 반사면을, PERC 구조는 a‑SiC:H/Al₂O₃/a‑SiC 다층 유전체와 레이저 가공(LFC)으로 형성된 점형 저저항 접점을 결합하였다. 실험 결과, 표준 디바이스가 더 낮은 직렬 저항(Rₛ)을 보여 고온(1480 °C)에서 높은 전력밀도와 효율을 달성했으며, PERC 디바이스는 뒷면 반사율이 향상돼 저온(1150 °C) 구간에서 약간 우수한 효율을 보였다.

모델링 분석에서는 자유 전자 흡수(Free‑Carrier Absorption, FCA)가 가장 큰 손실 메커니즘임을 확인했다. 고도 도핑된 Ge는 밴드갭 이하 파장의 적외선(특히 1–2 µm)에서 강한 FCA를 일으켜, 입사 광자를 열로 전환시켜 전기적 전환 효율을 감소시킨다. 이는 뒷면 반사율을 높이더라도, 흡수된 저에너지 광자가 재방출되지 못하고 셀 내부에서 열화되는 결과를 낳는다. 따라서 도핑 농도와 뒷면 광학 설계 사이의 트레이드오프가 TPV 설계의 핵심 과제로 부각된다.

또한, 이상적인 AlN/W 선택적 방사체(고온에서 장파장 차단, 단파장 투과) 가정 하에 시뮬레이션을 수행하면 1800 °C에서 22.3 % 효율이 가능함을 보여, 방사체 스펙트럼 엔지니어링이 효율 향상의 가장 실질적인 경로임을 강조한다. 반면, 실제 사용된 그래파이트 방사체 스펙트럼을 적용하면 효율이 8 % 이하로 급감한다는 결과는 기존 문헌에서 보고된 높은 효율값이 과도하게 이상화된 가정에 기반했음을 명확히 한다.

마지막으로, 동일 실험 조건에서 InGaAs TPV 디바이스를 측정한 결과, Ge 디바이스보다 높은 전압·전류 특성을 보였음에도 불구하고, Ge는 제조 공정 비용과 기존 반도체 인프라 활용 측면에서 경쟁력을 유지한다는 결론을 도출한다.