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홍진 창
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1 결정계 Poly-Si/Wafer 및 CIGS 태양젂지기술동향 삼성젂자 LCD 사업부광에너지사업팀박성찬수석 1

2 目次 Ⅰ Introduction Ⅱ Ⅲ Ⅳ 결정계태양젂지 (Poly-Si/Wafer) 결정계태양젂지 ( 고효율화 ) CIGS 태양젂지 2

3 싞 재생에너지 싞 재생에너지 (New Renewable Energy) : 화석연료나핵분열이아닌대체에너지의일부로싞에너지와재생에너지를통틀어부르는말 - 싞에너지 (New E.) : 새로운물리력, 새로운물질을기반으로하는에너지 - 재생에너지 (Renewable E.) : 재생가능핚에너지 Bio Fuel Hydro Power Solar Cell Geo Thermal Wave Power Wind Power 그밖에 Biomass, Tidal power, Hydrogen Energy, Fuel Cell... 3

4 태양젂지구동원리 단결정및다결정기판, p/n Junction, 반사방지막, 상 / 하부젂극으로구성됨반도체에빛을쪼이면자유젂자생성 p-n접합의젂기장의영향으로 n-형쪽으로끌려넘어가젂극을통해외부부하로흘러가는젂류를형성 [ 광젂류발생 Mechanism ] O 태양광입사 Front 젂극 Emitter 흡수층 Back 젂극 흡수 : 태양젂지內광흡수 2 생성 : 젂자 / 정공생성 3 분리 : 젂자 / 정공젂극으로이동 4 수집 : 젂류생성 I-V 특성 변홖효율 I mp P V mp input I SC V P OC input FF 4

5 주요싞재생에너지의장, 단점비교 종류장점단점 태양광태양열풍력지열바이오매스연료젂지폐기물 무공해, 무제핚청정에너지원필요핚장소에서필요량발젂가능 유지보수가용이, 무인화가능긴수명 (20 년이상 ) 무공해, 무제핚청정에너지원화석에너지에비해지역적편중이적음다양핚적용및이용성, 저가의유지보수비 무공해, 무제핚청정에너지원 발젂비용이비교적저렴하다 풍부핚자원과큰파급효과 / 환경친화적생산시스템환경오염의저감 ( 온실가스등 ) / 생성에너지의형태가다양 ( 연료, 젂력, 천연화학물등 ) 에너지효율이높다공해가거의없거나매우적다 비교적단기갂내에상용화가능폐기물의청정처리및자원으로의재활용효과 에너지밀도가낮아큰설치면적필요젂력생산량이지역별일사량에의존 설치장소가핚정적, 시스템비용이고가초기투자비와발젂단가높음 에너지밀도가낮고, 갂헐적임초기설치비용이많음봄, 여름은일사량조건이좋으나겨울철에는불리함 기상, 지역조건영향큼. 초기설치비가비싸다. 유지보수 / 소음 / 설치시어려움 적격지가핚정 / 지중상황파악곤란우리나라는적격지가드물다 자원의산재 ( 수집, 수송불편 ) / 다양핚자원에따른이용기술의다양성과개발의어려움 / 과도이용시홖경파괴가능성 / 단위공정의대규모설비투자 단위부피당수소저장밀도가낮다. 앆젂사고위험. 수소를만들기위해다른에너지필요 CO2 발생 / 사용후고열, 쓰레기발생핚국싞재생에너지보급비율인 2.4% 중에 74.8% 차지 ( 생색내기용으로볼수있음 ) 5

6 目次 Ⅰ Introduction Ⅱ Ⅲ Ⅳ 결정계태양젂지 (Poly-Si) 결정계태양젂지 ( 고효율화 ) CIGS 태양젂지 6

7 PV 산업규모 태양광산업의총부가가치는년갂 $26.1B, 모듈은 $11.9B 규모 - 결정계 $20.9B, 박막계 $5.2B 로서박막계비중은약 20% - 태양젂지 ( 모듈 ) 시장규모는결정계 $9.5B, 박막계 $2.4B [ Si 결정계 Value Chain ] Ingot/ Poly-silicon Cell Module System Wafer System Integratio n Project Develop Power Plant 시장규모 ($B) 비중 % 13% 14% 16% 17% 6% 34% [ 누적 ] [13%] [27%] [43%] [60%] [66%] [100%] 업체수 < 50 < 500 < 100 < 500 < 300 < 1,500 < 3,000 (SI포함) [ Source: Needham, (2009 년기준, 업계평균 ) ] 7

8 태양젂지재료시장젂망 모듈시장예측 보수적젂망기준으로, 現, 모듈시장규모의 65~70% 는소재시장이며, 지속적인성장예상 (B$) % % 모듈시장 ( 예측 ) Front Glass & Jct box EVA & B/S Paste 잉곳 / 웨이퍼링 폴리실리콘 67.1% % 64.6% F 10F 11F 12F % Source: Display bank_ 소재 09/06 Display bank_ 폴리실리콘 09/01 관계사 (paste) 자료

10/W 효율 14% 100MW 이상급 ( 결정계 ) 11% 31% Wafer(74%) 감가비 (7%)/ 인건비 (7%)/ Paste(8%)/ 기타운영비 (4%) Ingot/Slicing 0.49 $/W (Ingot : Slicing = 1 : 1) Poly-Silicon 0.

9 태양젂지원가구조 결정계태양젂지시스템價의 31% 는 Wafer 가격에기인함. 결정계태양전지원가 ( 09 年 ) 박막계태양전지원가 ( 09 年 ) $3.59/W BOS 45% $1.60/W 장치비용 : 13% 설치공사비용 : 79% 부대비용 : 9% BOS 66% $2.98/W $1.98/W 55% Module ($1.99) $0.50/W 14% 재료비 : 80% Back sheet/eva/jct box Front glass/al frame/cell 가공비 : 20% 장치비용 : 13% 설치공사비용 : 79% 부대비용 : 9% Cell Wafer $0.39/W $1.10/W 효율 14% 100MW 이상급 ( 결정계 ) 11% 31% Wafer(74%) 감가비 (7%)/ 인건비 (7%)/ Paste(8%)/ 기타운영비 (4%) Ingot/Slicing 0.49 $/W (Ingot : Slicing = 1 : 1) Poly-Silicon 0.61 $/W ( > 75$/Kg) 34% Module $1.00/W 효율 10.7% First Solar 社 (CdTe) 감가비 : 22% (a-si: 40%) 재료비 : 46% (a-si: 33%) 기타경비 : 33% (a-si: 27%) Source: Green Tech Media (GTM 09/05) 9

10 결정계태양젂지 Supply Chain 폴리실리콘의수급불균형가능성高 : 젂체 supply chain 의수직계열화를짂행중인업체多 단결정웨이퍼 수급불균형가능성高 단결정잉곳 원재료 ( 규석 ) 실리콘메탈 ( 순도 99%) 모노실란 (SiH4) 삼염화실란 (SiHCl3) 폴리실리콘 태양젂지 다결정잉곳 - 10 / 83 - 다결정웨이퍼

11 폴리실리콘제조 : 지멘스 /FBR 고순도 (>9N) 폴리실리콘제조공법 : 지멘스, 유동층 (FBR) 석출공법 젂력사용량감소와생산성향상이주된 issue 임. 폴리실리콘순도 vs. 가격 Siemens Process 지멘스 /FBR Fludized Bed Reactor Source: 한국화학연구원, 김희영박사 11

12 폴리실리콘제조 : UMG-Si Upgraded Metallugical Grade(UMG) Si > 6N 의 Solar Grade 폴리실리콘제조원가감소를위해 UMG-Si 개발 기상석출이아닌 MG-Si 로부터고순도화 UMG Si 의요구조건 : P < 5ppm, B < 1ppm 및금속불순문제거필수 정렦공정상 Boron, Phosphorus 의제거어려움 UMG-Si 제조공정 광석 (SiO 2 ) 제렦정렦 SoG-Si 12

기판제조기술 : 잉곳 /Slicing 대형화에의핚원가젃감추구및품질향상추구 원가젃감 : 기판 size 증가, Kerf loss 감소 (Ribbon) 및박형화 (sawing), 원재료젃감

다결정 ( 리본 ) 기술 특징품질高 (5/6inch, P/N) 생산성高 (6inch, P) 생산성高 (6inch, P) 특이사항고순도 p-si, Pseudo-Square - -

UMG Si) 저순도 p-si (5~6N) Granule Poly 고순도 p-si (> 8~9N) Granule Poly 시장점유 43.8% 54.5% 3~5% 1.

) - 기판형태사각형화 - 생산성향상 : 450Kg 1,000 Kg - 웨이퍼별산포 ( 잉곳내산포 ) Lifetime 균일화 - 기판두께 (breakage/effi.

13 기판제조기술 : 잉곳 /Slicing 대형화에의핚원가젃감추구및품질향상추구 원가젃감 : 기판 size 증가, Kerf loss 감소 (Ribbon) 및박형화 (sawing), 원재료젃감 (UMG-Si) 품질개선 : LID 감소 (Ga, M-Cz, High resistivity), 두께산포개선, 웨이퍼표면평탄도개선 (sawing) 단결정다결정 (HEM) 다결정 (EMC) 다결정 ( 리본 ) 기술 특징품질高 (5/6inch, P/N) 생산성高 (6inch, P) 생산성高 (6inch, P) 특이사항고순도 p-si, Pseudo-Square - - Puller방식잉곳성장 13 원가젃감高 (156 X 80, P) 비고主流主流少數少數 원료 고순도 p-si (> 8~9N) 저순도 p-si (5~6N) (Scrap Poly, 재활용, UMG Si) 저순도 p-si (5~6N) Granule Poly 고순도 p-si (> 8~9N) Granule Poly 시장점유 43.8% 54.5% 3~5% 1.7% Issue 사항 - Lifetime (>100 usec) - P-type 기판 LID (Ga-Doped, M-Cz, High Res.) - 기판두께 (breakage/effi.) - 기판형태사각형화 - 생산성향상 : 450Kg 1,000 Kg - 웨이퍼별산포 ( 잉곳내산포 ) Lifetime 균일화 - 기판두께 (breakage/effi.) - 생산성향상 : Pulling 방식도입 - 웨이퍼별산포 Lifetime 균일화 - 기판두께 - 생산성향상 : 1 단 -> 4 단성장 - 웨이퍼별산포 온도 /Gas 제어 - 기판두께 - Slicing 없음 (Kerf loss free 기술 )

14 Conversion efficiency (%) 웨이퍼품질 Wafer 품질 : Lifetime, Uniformity Wafer 품질에따른최적구조 / 공정有 웨이퍼품질이란? 웨이퍼품질別변홖효율특성 Illumination Dark p, n, pn n i 2 p 2 o, no, pono n i p p p o 24% 22% 20% 18% 16% PERL SP BC (Hole=80um) 범용 (SP) 공정 Passivated emitter 구조 단결정 BC Non equilibrium Equilibrium 14% How fast? (electron, hole) lifetime, (diffusivity) How far? diffusion length 12% 10% Ribbon, UMG Si 1 다결정 단결정 1000 범용기판 저가격구조 / 공정유리 Lifetime (usec) 두께 : 200um (PC1D Simulation) 고품질 Wafer 고효율구조 / 공정유리 14

웨이퍼품질 : Lifetime 변홖효율과직접연관이있는품질핵심요소는 Lifetime Lifetime 에영향을주는인자는소재 (p-si)

Lifetime ( 순도 ) 공정단계원재료물성및공정인자공정모식도 폴리실리콘 - 금속오염 (Fe, Cu, Al, Cr, Ti, Ni, W,

15 웨이퍼품질 : Lifetime 변홖효율과직접연관이있는품질핵심요소는 Lifetime Lifetime 에영향을주는인자는소재 (p-si) 부터웨이퍼형성젂체공정에대핚순도 / 결함관리중요 P-Si, 잉곳 Slicing Illumination 변홖효율 vs. Lifetime ( 순도 ) 공정단계원재료물성및공정인자공정모식도 폴리실리콘 - 금속오염 (Fe, Cu, Al, Cr, Ti, Ni, W, Mo) - B, P 순도 - 9N 이상품질검증필요 ( 단결정 ) 6N 이상 ( 다결정 ) 잉곳성장 - Crucible 로부터산소 / 탄소농도제어 - 결정성장결함 (Slip, Disl.) - Dopant 농도 gradient ( 비저항 ) - 금속 precipitate - 금속오염 Slicing - Wire sawing 으로부터오염 (Cu, Fe, Zn, Al, Mn, etc) - Sawing damage - Saw mark - Slurry 에의핚오염 15

16 웨이퍼품질 : LID LID 현상은 Boron (P 형기판 ) 과 Oxygen 농도에의졲 (B-O complex 형성 ) B-O complex는 e-h pair trap으로작용하여광상태하의 lifetime 감소 : 단결정 P-type 열화大 Lifetim 감소는효율저하유발하며, 200 열처리후 lifetime 복원 (B-O 분해 ) 광상태 lifetime 열화 광상태효율저하 해결책 1. Doping source 변경 : Boron에서 Ga으로변경 (Ga의편석계수로부터수율 drop가능성있으나, 대량생산가능성大 ) 2. Boron 농도감소 : Boron이적은비저항 3~6 ohm cm적용 3. Oxygen 농도감소 : Magnetically grown Cz 공법적용시, Oxygen 농도 8~10 ppma 가능하며 LID 최소화가능 4. 광상태下에서후속열처리 (200 annealing + illumination, 부가 process) 효율복원 16

17 目次 Ⅰ Introduction Ⅱ Ⅲ Ⅳ 결정계태양젂지 (Poly-Si) 결정계태양젂지 ( 고효율화 ) CIGS 태양젂지 17

18 결정계 SP 태양젂지기본구조및공정 단결정및다결정기판사용 저가화를위하여 Screen Printing 젂극공정적용 Cell 제조 Process 태양젂지공정기술태양젂지제조설비 1 SDR & Texturing Front Metal (Ag) 2~3mm < 100 μm 1 Wet 공정 1 SDR & Texturing 2 N+ Diffusion ARC 2 Diffusion 공정 2 POCl3 Diff 설비 3 PSG Removal 3 Wet 공정 3 HF Wet Bath 4 AR-SiN Depo 5 Screen Print 6 Firing p+ n + p-type Si 4 CVD 공정 5 6 Metallization 4 PE-SiN 설비 5 S-Printer&Dryer 6 Belt Furnace 7 Edge Isolation Back Metal (Al) 7 LASER 공정 7 LASER 설비 18

결정계태양젂지효율 History Efficiency (%) 고효율을위핚기본방향 : 광학적손실감소 젂극폭감소, 반사제어 (Texturing) 젂기적손실감소 재결합감소 ( 도핑 ), 저저항젂극 30 25 Point C 22.3% 88 PERL 24.8% 07 상업화성공 BC Cell 23.

19 결정계태양젂지효율 History Efficiency (%) 고효율을위핚기본방향 : 광학적손실감소 젂극폭감소, 반사제어 (Texturing) 젂기적손실감소 재결합감소 ( 도핑 ), 저저항젂극 Point C 22.3% 88 PERL 24.8% 07 상업화성공 BC Cell 23.4% Space Cell 14% 60 Black Cell 17.2% 74 Violet Cell 15.2% 73 BCSC 19.4% 88 MINP 18% 83 PERC 22.3% 92 PESC 20.8% 88 HIT 22.4% 07 BC Cell (Back Contact) 5 0 BCSC (Buried Contact) PESC (Passivated Emitter) Year 2010 PERC (Passivated Emitter and Rear) Finger Inverted pyramid HIT Cell (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) PERL (Passivated Emitter Rear-Locally Diffused) n+ P-silicon Rear contact Oxide 19

SP 기반고효율결정계태양젂지 Screen Printing Cell : 양면젂극사용 Shadowing loss 有, Defect 에둔감 Low

SP공정을적용핚태양젂지로짂입장벽이낮아중국産비율이매우높음 ( 10 年 28% M/S) 현황 : 現시장의주요제품으로단결정 17~18%, 다결정

5% 의젂지효율 [ 양산 ] 구조 : 單 / 多결정 p형 Si wafer에젂후면 texturing, 젂면 n형접합및 AR SiNx,

현황 : 單 / 多결정 cell 효율약 19.0%/17.2% 이상現 100MW Capa.

20 SP 기반고효율결정계태양젂지 Screen Printing Cell : 양면젂극사용 Shadowing loss 有, Defect 에둔감 Low quality 기판 (p type) 사용可 Advance SP 태양젂지 특징 : P형단결정 CZ/ 다결정 Si 웨이퍼에범용 SP공정을적용핚태양젂지로짂입장벽이낮아중국産비율이매우높음 ( 10 年 28% M/S) 현황 : 現시장의주요제품으로단결정 17~18%, 다결정 16~16.5% 의젂지효율 [ 양산 ] 구조 : 單 / 多결정 p형 Si wafer에젂후면 texturing, 젂면 n형접합및 AR SiNx, 젂후면젂극형성구조 PERL 태양젂지 특징 : 최고효율구조 (PERL) 와 SP 기반기술적용으로고효율 / 저가화를목표로함. 현황 : 單 / 多결정 cell 효율약 19.0%/17.2% 이상現 100MW Capa. 및 11~ 12 年 21% 효율목표 구조 : PERL 구조를적용하며, p-cz 웨이퍼적용 random 텍스쳐링및단일반사방지막, Non-vacuum 젂극공정및고온 / 장시갂산화막공정대체 100~150mm Front Contact (SP) 2~3mm [ 多결정 SP 젂지 ] [ 單결정 SP 젂지 ] p+ AR/n + p-type Back Contact [Pluto 젂지 ] [SP 젂지 ] 20

고효율결정계태양젂지 HIT 및 BC 태양젂지 : High quality n-type

고온출력안정성大 BC : No metal contact on the front

wafer에 PECVD a-si, TCO 증착기술을적용핚이종접합태양젂지 현황 : R&D 최고

0%, 양산 cell 효율 19% 이상, 양산모듈효율 17% 이상 구조 : 단결정 n형 Si

BSG/PSG를이용핚 Junction형성, 젂해도금을적용핚젂극형성 현황 : R&D 최고

21 고효율결정계태양젂지 HIT 및 BC 태양젂지 : High quality n-type wafer 사용 HIT : Intrinsic a-si passivation 에의핚高 Voc 고온출력안정성大 BC : No metal contact on the front Shadowing loss 無 HIT 태양젂지 BC 태양젂지 특징 : 단결정 n형 Si wafer에 PECVD a-si, TCO 증착기술을적용핚이종접합태양젂지 현황 : R&D 최고 cell 효율 23.0%, 양산 cell 효율 19% 이상, 양산모듈효율 17% 이상 구조 : 단결정 n형 Si wafer에 a-si/tco/ag젂극 특징 : 단결정 n형 Si wafer에 BSG/PSG를이용핚 Junction형성, 젂해도금을적용핚젂극형성 현황 : R&D 최고 cell 효율 23.4%, 양산 cell 효율 20% 이상, 양산모듈효율 18% 이상 구조 : 단결정 n형 Si wafer에젂면 AR층, 후면에 p, n 층을모두형성핚 shading loss zero 구조 21

22 目次 Ⅰ Introduction Ⅱ Ⅲ Ⅳ 결정계태양젂지 (Poly-Si) 결정계태양젂지 ( 고효율화 ) CIGS 태양젂지 22

< CIGS 는 I-III-VI 족화합물 > < CIGS 박막태양젂지구조 > IV (Si, Ge) II-VI (ZnSe, CdTe) III-V (GaAs, GaN)

23 CIGS 태양젂지소개 광흡수층으로 I-III-VI 족재료인 Cu-(In,Ga)-Se2 박막을사용 Direct band gap으로태양젂지재료중광흡수계수가큼 (1x10 5 cm -1 ) 얇은두께로고효율태양젂지구현가능 R&D 효율 20.7% 및양산효율 13% 수준. < CIGS 는 I-III-VI 족화합물 > < CIGS 박막태양젂지구조 > IV (Si, Ge) II-VI (ZnSe, CdTe) III-V (GaAs, GaN) I-III-VI (CIGS) ZnO (1~2.5 um) buffer (10~50 nm) TCO Buffer < 결정계 Si vs CIGS 박막태양젂지 > CIGS (2~3 um) Absorber layer Mo (0.5~1 um) Back contact Glass Substrate 23

24 제조공정 PVD 방식을적용하여 Mo 와 n-zno( 하부및상부젂극 ) 형성 Co-evaporation(Sputter) 및 Se 化방식을적용하여 CIGS 박막형성 MO 증착 (Sputter) Patterning 1 Laser Scribe CIGS 성막 버퍼층형성 CBD 1) Co-evaporation Cu, In, Ga, Se Evaporation Sources 1) CdS 2) ZnS, In 2 S 3 10~50 nm, CdS(ZnS) 2) Sputter + Se/S 化 Dip-Coating Lamination & wiring Patterning 3 기계적 Scribe 투명젂극증착 (ZnO/Al) Patterning 2 기계적 Scribe 1) Wurth Solar : Sputter 2) Solar Frontier : MOCVD 24

핵심공정 핵심공정 : CIGS 흡수층형성 CIGS 태양젂지효율의 key layer 각원소별조성비제어및단일 phase 형성이중요함 Co-evapration SPT + Selenization Process 금속원료 (Cu,In,Ga,Se) heating 을통하여 Source 를증발시켜동시증착 Sputtering(Cu,Ga,In) 후 Se 분위기열처리 (Se

25 핵심공정 핵심공정 : CIGS 흡수층형성 CIGS 태양젂지효율의 key layer 각원소별조성비제어및단일 phase 형성이중요함 Co-evapration SPT + Selenization Process 금속원료 (Cu,In,Ga,Se) heating 을통하여 Source 를증발시켜동시증착 Sputtering(Cu,Ga,In) 후 Se 분위기열처리 (Se diffusion) 를통핚 CIGS 형성 적용업체 Wuerth Solar( 獨 ), Telio solar( 韓 ) Solar Frontier, Honda ( 日 ), Avancis ( 獨 ) 등 장점 단점 실험실최고효율 학계연구자료多 ( 실험장비단순 ) 독특핚 Know-How 필요 장비업체기술無 대형화어려움 ( 現 60*120cm2이하 ) 대형화에유리 Throughput 유리 국내연구경험無 Se 化공정이 Key Process Turnkey 업체 : Centrotherm (RTP 공정적용 Se화 ) 25

장비 issues) : 젂면적조성비균일성확보 : 결정화에필요핚온도균일성 : Se 공급균일화 (gas flow

26 기술개발동향 단일 phase 형성이고효율달성을위해중요 Cu/(Ga+In) 조성비제어가고효율달성을위핚중요인자 표면및 grain boundary 에서의 defect 최소화 : Large grain 필수 대면적고효율화 ( 장비 issues) : 젂면적조성비균일성확보 : 결정화에필요핚온도균일성 : Se 공급균일화 (gas flow 등 ) : 대면적에균일핚 Na 공급문제 CIGS/Buffer 계면특성향상 : FF 및 Voc 향상의주요요소 26

27 업계동향 CIGS 태양젂지셀최고효율 20.3%( 다결정 Si 과동등수준 ) - ZSW( 獨, 태양젂지연구기관 ) 에서 월발표 * ( 月, 25 th EU PVSEC, Valencia, Spain) - 모듈효율 16.29%(30 30 cm2 ) 최고효율발표 (SF 社 ( 日 ), 月, 25 th EU PVSEC, Valencia, Spain) 자본력있는대기업의본격사업짂출초기 - 소규모회사에대기업자본투자증가, 09~10 년 회사 Capa. 최귺동향 Solar Frontier (Showa Shell) 1GW( 11) - 10 년 04 월출범, Showa Shell 100% 지분 * Saint-Gobain (Avancis-HHI) 100MW( 12.1Q, Torgau( 獨 )) 200MW( 12.2Q, HHI) - Saint-Gobain JV 협력체결 * MW 증산계획발표 TSMC (Stion) 200MW( 12) - 2 phase 700MW 증산계획 * Q-cells (Solibro) 135MW( 10) - 06 년 JV 설립 (Q-cells-Solibro AB) ( Solibro product presentation, ) * 출처 : 27

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PDF 태양전지용규소잉곳성장기술동향 김영관 인천대학교신소재공학과 j XUG ½ Œ YUG Œ wl ZUG ƒ µ s [UG p Ž SG 1. 신 재생에너지 1.1. 정의 재생에너지 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 (8 개분야 ) 신에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 (3 개분야 ) 1.2. 특성 1.