박막태양전지의기술개발동향 Development Trends of Thin Film Solar Cell Technologies 스마트 & 그린융합부품소재기술특집 윤선진 (S.J. Yun) 정용덕 (Y.D. Chung) 임정욱 (J.W. Lim) 박헌균 (H.K. Pak) 김제하 (J.H. Kim) 박막태양광기술연구팀팀장박막태양광기술연구팀선임연구원박막태양광기술연구팀선임연구원에너지응용기술연구팀선임연구원 차세대태양광연구부부장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 박막태양전지기술의종류 Ⅲ. 박막태양전지기술의개요및기술개발동향 Ⅳ. 결론 박막태양전지기술은현재가장큰시장점유율을보이고있는결정질 Si 태양전지와비교되는차세대태양전지기술로서큰관심을받고있다. 결정질 Si 태양전지의효율보다높은효율로서, 훨씬저가로생산할수있는수준을목표로하여다양한종류의박막태양전지들이개발되고있는데, 본고에서는그중에서가장많이연구개발되고있는세종류의박막태양전지, 즉, 화합물반도체박막태양전지중가장대표적인 CIGS(Cu(InGa)Se 2 ) 태양전지, 지구상에가장풍부한무기소재인 Si를기반으로하는비정질 Si 박막태양전지, 그리고유기물기반태양전지중가장높은효율을나타내는 DSSC 에대해서중점적으로기술하였다. 38
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 Ⅰ. 서론화석연료사용에따른지구환경의오염, 화석연료고갈의위험을극복하는데반드시필요한기술로서의신재생에너지에대한인식은더강조할필요가없을만큼이미큰관심을받고있다. 신재생에너지산업중에서도빠르게성장하고있는산업이바로태양광산업이다. 2004~2009 년기간중풍력설비는 36%, 지열발전은 4.0% 의연평균증가율을보인반면, 태양광발전설비는 60% 의연평균증가율을보였다 [1]. 장기적인불경기와더딘경기회복으로인해예상보다다소성장이지연되고있기는하나, 수년후에는고용면에서우리나라대표적인산업인메모리산업을능가할것으로점쳐지기도한다. 태양광발전은가장청정하며, 무한한태양에너지를이용한다는큰장점을가지고있다. 국가정책적인면에서도태양광산업을포함한신재생에너지산업은지속적으로육성되어야한다. 지구온난화의규제와방지를위한기후변화협약의수정안인쿄토의정서는 2005 년처음발효된이래 2009 년 11월시점으로 187개국가가비준하였으며, 한국도 2002 년 11월국회비준이후 2013 년부터이산화탄소규제대상국에포함될예정이다. 1970 년대오일쇼크이후일본, 유럽, 미국등에서태양전지기술개발이꾸준히진행되어온것에반하여, 우리나라에서는 2000 년대초원유가격이크게증가하던시점부터비로소태양전지기술개발에대한중요성을인식하기시작하였다. 현재가장큰시장점유율을가진결정질 Si 태양전지의경우는수년간양산기술개발에주력하여상용제품중에서는세계최고수준의효율 (19% 이상 ) 을가지는제품이국내에서도생산되고있다. 그러나차세대태양전지로분류되는박막태양전 지의경우, 국내일부연구그룹들이수치적으로세계최고수준에근접한결과들을발표하고있기는하지만, 축적되어있는핵심기반기술과경쟁력은아직매우낮은수준에머물러있다. 그러므로앞으로도래할거대시장을겨냥한태양광발전기술의국가경쟁력확보노력이반드시필요하다. 2000 년초부터전세계적으로신재생에너지에대한관심이커지고태양전지의설치량이급증하여결정질 Si 태양전지의원소재공급부족이심화되자원소재가격이폭등하고, 이에따라태양전지모듈단가가크게상승하였다. 이러한배경으로보다저가의모듈제조가가능한박막태양전지에대한관심이크게증가하였고차세대태양전지로서의기술개발투자가본격화되었다. 그러나 2011 년현재, Si 원소재생산설비에대한과잉투자, 장기적인경기불황으로인한시장위축, 태양광발전모듈의공급량과설치량의불균형으로태양광모듈가격이급격히하락하는등의시장상황으로인해박막태양전지기술개발에대한투자가많이위축되고있는실정이다. 하지만, 이와같은상황이차세대태양광기술의수준이뒤쳐진우리나라에서는그기술격차를단시간내에따라잡을수있는좋은기회라고볼수있다. 본고에서는차세대태양전지로분류되는여러종류의박막태양전지에대해간략히소개하고, 기술별장단점과기술개발동향, 시장전망등에대해기술하고자한다. Ⅱ. 박막태양전지기술의종류박막태양전지는소재별로크게화합물박막태양전지, Si 박막태양전지, 유기물기반태양전지로나눌수있다. 화합물태양전지는 Ⅱ-Ⅵ 족, Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 족화합물반도체가대표적인소재인데, 화합물반도체 39
의높은광흡수율로인해박막태양전지중에서는가 장높은효율이기대되고있다. Si 박막태양전지는 비정질 Si 를포함하여미세결정질 Si, SiGe 소재도 포함한다. 유기염료를이용하는염료감응태양전지 (DSSC) 는유기물기반태양전지의일종으로분류된 다. 2011 년 NREL 에서발표한태양전지의최고효 율은 CIGS 20.3%(ZSW), Si 박막태양전지 12.5% (United Solar, 안정화효율 ), DSSC 11.1%(Sharp) 이다. ( 그림 1) 에는결정질 Si(c-Si) 대비박막태양전지 의생산량을전망한자료를소개하였다 [2]. 이자료 에의하면 2015 년경박막태양전지는전체시장의 20.9% 를점유할것으로전망되며, 태양전지종류별 시장점유율은 CIGS 4.9%, Si 박막태양전지 7.9%, DSSC 0.38% 로예상하고있다 [2]. 본고에서는화합물반도체박막태양전지중가장 대표적인 CIGS(Cu(InGa)Se 2 ) 태양전지, 비정질 Si 박막태양전지, 유기물기반태양전지중가장높은 효율을나타내는 DSSC 에대해서중점적으로기술하 였다. 각태양전지들은종류별로고유한장점과단점 을가지며, 따라서가장적합한응용분야역시서로 다를수있다. 이에대한이해를높이기위해기술별 Production(GWp) 80 Thin Film c-si 63.2 Total 60 52.6 50.0 44.0 42.5 40 36.4 36.3 23.3 25.7 29.6 30.8 20.4 20 0.2 2.7 2.9 3.9 4.3 6.9 7.9 10.5 12.5 13.2 7.7 10.1 0.4 1.0 2.0 2.9 3.8 5.7 0 2006 2007 2008 2009 2010F 2011F 2012F 2013F 2014F 2015F Year < 자료 >: 솔라앤에너지, 2011. 1. ( 그림 1) 2006~2015 년결정질 Si 대비박막태양전지의생산량전망 동작원리, 제조방법에대해소개하고, 기술개발동향, 시장전망에대해논의하였다. Ⅲ. 박막태양전지기술의개요및기술개발동향 1. CIGS 태양전지 가. 동작원리 CIGS 로대표되는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 족 chalcopyrite 계화 합물반도체로서직접천이형에너지밴드갭을가지 고있고, 광흡수계수가약 1 10 5 cm -1 로반도체중에 서가장높은편에속하여, 두께 1~2μm 의박막으로도 고효율의태양전지제조가가능하다. CIGS 계화합물 반도체는구성하고있는양이온 (ex: Cu, Ag, In, Ga, Al etc.) 및음이온 (ex: Se, S) 의종류와조성을변경 함으로써결정격자상수뿐만아니라에너지밴드갭 의조절이가능하다. CIGS 셀및모듈은실외에서도 전기광학적으로장기안정성이매우우수하고, 복사 선에대한저항력이뛰어나서우주선용태양전지에 도적합하다. 일반적으로가장많이사용되는유리기 판이외에도고분자 (ex: polyimide) 및금속박막 (ex: stainless steel, Ti) 기판위에증착하여플렉시블태 양전지형태로제조할수있다. ( 그림 2) 는 CIGS 박막태양전지의구조이다. 기판 위에 Mo 후면전극, 광흡수층 (CIGS), CdS 버퍼층, Al/Ni contacts ( 그림 2) CIGS 박막태양전지의구조 MgF 2 n-zno/i-zno Cds Cu(InGa)Se 2 Mo 기판 40
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 ZnO 투명창층, 반사방지층과그리드전극 (Al/Ni) 박막을순차적으로형성시켜제작된다. 단위박막별로다양한종류의재료및공정이적용되고있다 [3]. 나. 제조방법 CIGS 광흡수층의증착을위해다양한방법들이시도되고있으나, 크게분류하면동시증발법과전구체형성후셀렌화하는공정으로나눌수있다. 1) 동시증발법동시증발법은개별원소 Cu, In, Ga, Se들을고진공분위기에서증발시켜, 고온 (550~600 C) 기판위에증착하는방법으로현재실험실규모에서최고의효율 ( 약 20%) 을확보하고있는공정이다. 개별원소들의증착량을각각조절하므로생성되는 CIGS 의조성을용이하게조정할수있는장점이있다. 그러나, 공정의특성상대면적화적용시조성제어에어려움이있다. 2) 전구체셀렌화첫번째단계에서 Cu-Ga-In 금속전구체혹은 Se를포함한전구체를제조하고, 두번째단계에서 H 2 Se gas 혹은 Se vapor 분위기에서셀렌화를진행하는공정으로일반적으로 2단계공정 이라고도불린다. 전구체박막을제조하는방법으로는스퍼터링공정이가장널리사용되고있지만, 가격경쟁력확보를위해전기도금, 잉크프린팅, 스프레이열분해법등과같은비진공방법도시도되고있다 [4]. 다. 기술개발동향본절에서는국내외 CIGS 박막태양전지개발동향을소개하고자한다. 국내연구기관의동향으로서, 한국전자통신연구 원에서는소다라임유리기판에서 17.5% 이상의고효율및스테인리스스틸기판에서효율 13.95%( 반사방지막없음 ) 의 CIGS 박막태양전지기술을보유하고있으며, 한국에너지기술연구원은유리기판에서 19% 및폴리머기판에서 7% 효율의기술을보유하고있다. 한국광기술원, 대구경북과학기술원, KAIST, 영남대, 중앙대, 성균관대, 충주대, UNIST 등대학교에서진공법및비진공법에의한 CIGS 흡수층제조핵심기초기술을개발하고있다. 또한, 나노분말을이용한 CIS 태양전지연구및탠덤 (tandem) 구조에대한기초연구가수행중이다 [5]. CIGS 의높은광변환효율때문에기업체에서는상용화에큰관심을가지고있다. LG이노텍에서는 60 120cm 2 면적에서 13.6% 변환효율을보고하였으며, 2012 년 120MW 양산을준비중이다. 삼성 SDI에서는유리기판으로 900 1600cm 2 에서 16% 변환효율을목표로연구개발중이다. 금호전기는소다라임유리기판을이용하여 2단계공정으로변환효율 12%, 면적 60 120cm 2 모듈을목표로개발하고있다. 현대중공업은프랑스생고방 (Saint-Gobain) 사와기술협력을통해 2012 년상반기까지 100MW 급 CIGS 박막태양전지공장을설립할예정이다. 대양금속에서금속유연기판을이용한롤투롤공정으로 25MW 규모로생산을시작했다 [6]. 국외의대표적인박막태양전지연구기관인미국의 NREL 에서는 2000 년대이후 CIGS 박막태양전지분야세계최고효율기록을지속적으로갱신하여유리기판에서 19.9%, STS에서 17.5% 의변환효율을기록하고있다. 또한, 1.0μm 의얇은 CIGS 박막에서변환효율 17.1% 를달성한바있다. 독일의 ZSW Stutgart 에서최근 0.503cm 2 에서 20.3% 효율을보고한바있다. 일본의 AIST 에서는 3단계증착법을이용하여세라믹기판에서 17.7%, 폴리머기판에서 41
14.7%, 미니모듈에서 15.9% 효율을달성한바있다. 독일의 Wurth Solar 에서는진공증발법을이용하여 CIGS 박막을증착하고있는데, 하향식선형증발원을이용하여 60 120cm 2 에서최고 13%, 평균 11% 의변환효율을확보하고있다. HMI는동시증발법으로유연기판을사용하여 CIGS 태양전지의효율이 15% 에도달하였다. 독일의 Avancis 는스퍼터링과셀렌화공정을이용하여평균 12.9% 효율의모듈을생산하는기술을보유하고있다. Sulfurcell 은 Cu, In 스퍼터링과황화공정으로광흡수층제작하고있다. 독일의 Johanna Solar 는 BOSCH 의관계사로서 BIPV 용의여러가지색으로채색된 CIGS 모듈로차별화를시도하고있다. Solarion 은폴리머기판위에서 Se 이온을이용하여저온에서고품질의 CIGS 박막을제작하는기술을보유하고있다. Solibro 는동시증발법으로 25cm 2 의 CIGS 미니모듈변환효율 16.6% 및모듈효율 11.4% 를확보하였다. Odersun 은구리리본위에전착법을이용하여 In, Ga 증착한후소성을통한제품개발로휴대용에응용가능한제품을판매중이다. Centrotherm 은 CIGS 의스퍼터링및열처리공정기반의 turn-key solution 을제공하고있으며, 60초의 RTP 기술을이용한인라인공정으로 900cm 2 에서 10.3% 을보고하였다. 미국의 Miasole 은 60 120cm 2 크기의 stainless steel 기판을이용하여수직스퍼터방법으로 CIGS 박막태양전지를생산하고있다. Solopower 는유연 stainless steel 포일기판을사용하여비진공전기도금법을이용하여 13.76% (0.48cm 2 ), 12.25%(102cm 2 ) 효율을보고하였다. Nanosolar 는롤투롤방식과 nano ink technology 를응용한 printing 과 RTP 공정사용하여유연금속기판에서 16.4% 효율의제품을개발하였다. Global Solar Energy 는인라인증발법과롤투롤공정을이용하여 CIGS 셀및모듈을생산하고있다. Ascent Solar 는 Solarion 과유사하지만, 롤투롤과모노리식집적화방법을사용하여유연플라스틱기판에서 14% 효율달성하였고, 모듈효율은 11.7% 이다. Heliovolt 는서로다른두 precursor 를접합하여고속셀렌화를수행하는특허기술로 7,200cm 2 에서 10.5% 를보고하였으며, 최근 SK이노베이션의투자결정이이루어졌다. ISET 은롤투롤공정을이용하지않는 inkbased CIGS 제작공정으로 100cm 2 에서 6~7% 의비진공공정을개발하고있으며, 국내지사설립을통한투자유치활동을벌이고있다. 일본의 Solar Frontier( 이전 Showa Shell Sekiyu) 에서는스퍼터링 / 셀렌화공정으로 3,459cm 2 의모듈에서 13.4% 를달성하였고, 73 92cm 2 기판면적에효율 13% 의모듈을생산 / 판매하고있다. 1GW급양산라인구축계획을발표한바있다. Honda Soltech 는 1985 년부터자체연구개발을시작하였고, 스퍼터링방식을이용한 CIGS 태양전지로 2007 년부터시장에출시하였으며, 모듈의전환효율은 12% 를확보하고있다. 최근발표된주요업체의상용모듈효율을정리하면 < 표 1> 과같다 [7]. CIGS 박막태양전지는산업화를위한기술개발이한창진행되고있으며, 차세대기술로다음과같은분야의연구개발이진행되고있다. < 표 1> 최근발표된주요업체의 CIGS 상용모듈의효율 [7] 회사명 모듈효율 (%) Miasole 13.1 Q-cells 12.7 Solar Frontier 12.6 Avancis 12.6 Global Solar Energy 12.6 Nanosolar(US) 12.0 New Energy Solutions 11.4 HelioVolt 11.3 Solarion 10.9 Ascent Solar Technologies 10.7 42
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 소재및소자개발분야에서는고가의 In 소재를 대체하고자저가원소인 Cu-Zn-Sn-Se( 또는 S) 화 합물태양전지기술, 환경오염문제가있는 Cd 을사 용하지않는버퍼층기술, 저가화가기대되는비진공 또는롤투롤공정기술을개발하고있으며, 장비분야 에서는대면적선형고속증착장비개발, 신개념고속 증착장비개발, 실시간 CIGS 박막모니터링기술등 이개발되고있다. 또한, 고효율화를위한탠덤형 CIGS 소자, 파장변환기술, 양자점을이용한효율향 상기술등이개발되고있다 [8]. 라. 시장전망 CIGS 태양전지업체들의연구개발과상용화의노 력으로 CIGS 태양전지규모는 2007 년 123.2MW 의 생산용량과 23.5MW 의생산량에서 3 년뒤인 2010 년에는 934.5MW 의생산용량과 368.6MW 의생산 량을나타내었다. 특히 2010 년은업체들의양산화 용량향상과생산수율향상으로인해가파른생산량 향상을보였으며, 2011 년에도마찬가지로전망된다. 또한 2011 년부터 Solar Frontier, Solibro, Miasole 등주요업체들의증설과 Hyundai-Avancis 의시장 진입등의영향으로높은성장률을보여 ( 그림 3) 에 서보인바와같이 2015 년에는총 5.64GW 의생산용 량과 3.71GW 의생산량에이를것으로전망된다 [9]. Annual Capacity/Production(MW) 6,000 5,000 4,000 3,000 Production Capacity 5,642.50 4,456.00 3,629.00 3,713.00 2,643.50 2,764.00 2,000 1,884.00 1,967.00 1,311.50 934.50 1,000 662.20 728.20 16.71 123.20 278.20 3.55 23.50 74.90 160.6 368.63 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011F2012F2013F2014F 2015F Year ( 그림 3) CIGS 태양전지모듈의연도별생산용량과생산량 (2006~2015)[9] 2. 비정질 Si 박막태양전지가. 동작원리 Si 박막태양전지는결함이많은비정질 Si 또는미세결정질 Si 층을광흡수층으로이용하므로, pn 다이오드로구성되는결정질 Si 태양전지와는달리 pin 다이오드구조를가진다 [10]. Si 박막태양전지의광흡수층으로사용되는비정질 Si과미세결정 Si 중에서비정질은분자배열의규칙도가낮으며액체상태와비슷하다. 따라서, dangling bond 와같은많은결함이존재하여빛에의하여생성된전자와정공을효과적으로전달하기위하여결함을제어하는기술이매우중요하다. 대부분의결함은수소원자를이용하여제거하는데, 이러한과정을수소 passivation 이라고한다. 기존의결정질 Si 태양전지의경우에는전자와정공의확산거리가충분히길어서 pn 접합으로제조하여전하의확산을이용하여광발전을할수있지만, 비정질이나미세결정실리콘의경우에는확산거리가매우짧고, 도핑의용해도가낮아서 intrinsic 층을광흡수층으로사용한다. p와 n층은실제로광흡수에참여하지않고기전력만제공하는역할을하는데, 특히 p층을통해태양광이입사되면이층은최대한태양광을투과해야하는 window 층이되고두께는 15nm 이하로매우얇게제조되며, 대부분은 intrinsic 광흡수층이차지한다. ( 그림 4) 는 p-i-n 구조와전기장및에너지밴드곡선의분포를보여주고있다. 광흡수층으로사용되는 intrinsic 층내부에는일정한전기장이걸려있고, 이곳에서생성된전자와정공은전기장을따라각각 n-si 과 p-si 에서수집된다. 따라서결정질 Si이확산에의하여발전이주도되는반면비정질이나미세결정실리콘의경우전기장에의한표동 (drift) 으로주도된다. 전기장은효율적으로 intrinsic 내부에인가 43
TCO q p bi q n bi Metal 태양광 E macr E C qφ p p i n qφ n qv bi Glass 기판 E V E F p-si 박막 i-si 박막 Grid line n-si 박막 후면전극 ( 그림 5) Superstrate 형의비정질 Si 태양전지의구조 ( 그림 4) p-i-n 구조의박막실리콘태양전지의에너지밴드곡선과전기장의분포 [10] 되어야하는데내부에결함이많이존재하면전기장 이제대로걸리지않고손실되는현상이발생하여효 율저하가나타나므로결함을최소화하는것이매우 중요하다. E(x) 기본적으로비정질 Si 는 1.7~1.8eV 의높은에너 지밴드갭을갖고있기때문에흡수하는파장영역이 여타태양전지에비하여좁을수밖에없다. 따라서 낮은광변환율을보여주고있는데, 이를개선하여효 율을향상시키기위해서는반사방지나재흡수방법 을통해빛의이용률을높이는기술이확보되어야하 며, 이를위해서표면조직화 (texturing) 나반사방지 막, 후면반사막등의기술등이개발되고있다 [11]. 비정질 Si 광흡수층의경우 dangling bond 의 passivaion 의약한결합으로인하여빛을조사하면특성 이열화되는광열화현상이관찰된다. 따라서초기효 율대비최고 20% 내외의효율저하가나타나며일 정시간이경과하면안정화된다. 나. 제조방법 0 d i x ( 그림 5) 는비정질 Si 태양전지의단면을보여주고 있다. 유리기판위에전극과광흡수층이제조되고빛은유리를통해들어오기때문에이러한구조를 superstrate 구조라고한다. 유리기판위에제조되는투명전극은 SnO:F, ZnO:Ga, ZnO:Al, ZnO:B 등이사용되는데, 스퍼터링이나 CVD 방법이사용되고있다 [12],[13]. 투명전극으로가장잘알려져있는 ITO의경우에는후속플라즈마공중에노출되면특성이열화되므로이구조에서는사용되지않는다. 투명전극은낮은직렬저항과높은전하수집을위하여비저항이낮아야하고광손실을최소화할수있도록투과도가높아야한다. 투명전극위에박막 Si층이증착되는데, 정공의이동도가전자에비하여낮기때문에 p-si 층을빛이들어오는쪽에배치한다. 따라서 p 층을먼저증착하고 i층, n층의순서로증착하며, p층과 n층은각각 B와 P를증착중에주입하여도핑한다. 보통 p와 n층은각각 15nm, 25nm 정도로매우얇게증착하며, 단일접합의경우 i층은 300~400nm 정도로제조한다. 실리콘박막을제조하는온도는 200~300 C 로비교적낮은편이며소스가스를수소에희석하여공급한다. 수소와소스가스의유량의비, 즉수소의희석률이박막의결정화도를크게좌우하므로태양전지의특성에매우큰영향을미친다 [14]. n층의제조가끝나면후면반사막으로 ZnO를얇게형성하고, 그위에 Ag 또는 Al 금속을후면전극으로증착하는데, 44
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 ZnO는후면에서반사를증진시켜빛의재흡수를도와준다. Superstrate 형의경우큰유리기판위에 Si 박막태양전지를제조할때, 투명전극, Si층, 금속전극을각각레이저를이용해일정간격으로패터닝함으로써한장의큰태양전지모듈이만들어지는데, 현재 1.1 1.3m 의 5세대급 Si 박막태양전지가주로생산되고있다. 상기 superstrate 형의역전구조인 substrate 형 Si 태양전지도생산되고있다. Substrate 형은불투명기판을사용하므로상부에투명전극이형성되어기판의반대방향에서태양광이입사되는구조이다. 대표적인기업인 Uni-Solar 는스테인레스스틸유연기판위에삼중접합구조로생산중이며, Fuji Electric, PowerFilm 등에서폴리이미드기판위에유연성태양전지를제조하여판매하고있다. 다. 기술개발동향 Si 박막태양전지는무기소재중지구상에가장매장량이많고저렴한 Si를사용하며, 화학적, 물리적안정성이우수하고, 독성이없는등많은장점을가지고있다. 특히결정질 Si 태양전지에비해소재의존율이매우낮으며, 우리나라가특히경쟁력을가진 Si 반도체공정기술을이용할수있다는큰장점을가지고있다. 그러나 Si가광흡수계수가낮고간접천이형물질이므로고효율을얻기어려운단점이있다. 그래서 Si 박막태양전지기술분야는저가로고효율을얻기위한기술개발에초점이맞춰져있다. 고효율을얻을수있는방법으로는가능한한많은태양광을흡수하여발전에이용할수있도록할수있는두종류의접근방법이있다. 첫번째는광흡수층내에서광의경로를길게하여빛이많이흡수되도록하고표면에서반사율을최소화하는광캡처기 술이다. 또다른접근방법은다중접합구조를이용하 는것이다. 삼중접합의경우를예로들면, top cell 은 단파장광을, middle cell 은중파장, bottom cell 은 장파장광을이용하는원리이다. 단일접합으로제조되는박막 Si 태양전지는 cell 기준으로초기효율 10~11%, 안정화효율 8~9% 정도를보여주고있는데, 모듈의경우 6~7% 의효율 을나타낸다. 이보다높은효율을얻기위해다중접 합태양전지가연구되고있다. 특히이중접합의탠덤 구조가많이개발되고있는데, 대표적인탠덤구조셀 의파장에따른양자효율을 ( 그림 6) 에소개하였다. Top cell 과 bottom cell 모두에광흡수층으로비정질 Si 을사용한경우에비해밴드갭이서로많이다른비 정질 Si( 약 1.7eV) 와미세결정질 Si( 약 1.1eV) 를각각 사용할때더넓은파장영역의빛을활용할수있음 을잘보여주고있다. 높은에너지밴드갭을갖는비정질 Si 와낮은에너 지밴드갭을갖는미세결정 Si 를직렬로연결하는 micromorph 구조는보다넓은파장대역을흡수할 수있고, 단일접합에비해개방전압도향상된다. 이 경우현재 5 세대급의면적에서안정화효율이 12% 가까이얻어지고있어서저비용화와기술개발이이 루어지면태양전지시장에서경쟁력을갖출것으로 판단된다. 삼중접합의경우보다높은효율상승이기 Quantum Efficiency(a.u.) 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 a-si:h/ a-si:h a-si:h/µc-si:h 400 600 800 1,000 Wavelength(nm) ( 그림 6) 이중접합태양전지의파장에따른양자효율의변화 [15] 45
대되나제조비용이상승되는단점이있다. 현재까지 Uni-Solar 와 Sharp, Kaneka 등에서다 중접합태양전지가대면적에서개발되었으며, 대부 분의회사에서 micromorph 구조를형성하여제작하 였다. 현재까지개발된주요모듈의면적과효율을 < 표 2> 에나타내었다 [10]. 최근 EUPVSEC 학회에 서발표된연구동향을살펴보면 Sanyo 에서 micromorph 구조로 1cm 2 의소면적에안정화효율 12.7% 를달성하였고, Uni-Solar 에서 3 중접합으로 0.25cm 2 의소면적에서 16.3% 의초기효율을얻기도하였다. 또한 Oerlikon 에서 textured glass 를사용하여소면 적에서 micromorph 구조로안정화효율 12.3% 를 얻었음을발표하였다. 지속적인효율향상결과들이 속속보고됨에따라향후대면적에서 12% 에육박하 는안정화효율을얻을것으로기대되며, 보다고효율 의 micromorph 태양전지가상용모듈로제작될것 으로전망된다. 국내에서는한국철강 (20MW), 알티솔라 (25MW) 에서생산라인을보유하고있다. 박막 Si 태양전지를 연구하는정부출연연구기관으로는한국에너지기술 연구원, 한국전자통신연구원등이있으며, 한국과학 기술원, 고려대학교, 성균관대학교등에서도다년간 연구를수행하고있다. 한국전자통신연구원에서는 현재단일접합 Si 태양전지로 p-si:h window 층과 Al 전극을사용하여효율 9.8% 를얻은바있으며, Si/SiGe 탠덤셀기술과다양한접근방법을통해광 < 표 2> 주요회사의대면적모듈구조, 크기및효율 [10] 회사 Cell 구조면적 (m 2 ) 효율 (%) Kaneka Micromorph 1.43 9.1 Inventux Micromorph 1.58 8.3 Sharp Micromorph 1.78 8.4 Sunfilm Micromorph 5.72 8.6 Mitsubishi Micromorph 1.58 8.3 Uni-Solar (Flexible) a-si/a-sige/ a-sige 2.16 6.7 캡처기술을개발하고있다. 라. 시장전망현재대부분의태양전지시장은결정질 Si 태양전지가점유하고있고, 그중일부를박막태양전지가점유하고있다. 최근폴리실리콘가격하락이지속적인결정질 Si 태양전지의시장점유율유지에기여하고있다. 하지만, 박막태양전지의시장점유율또한가파르게상승하고있는추세이다. 지난 2010 년결정질 Si 태양전지의경우 87.7%, 박막태양전지는 12.3% 의시장점유율을보였다. 2015 년에는박막태양전지의시장점유율이 20.8% 로상승할전망이다 [2]. 비정질 Si 박막태양전지의경우 2012 년에 6.1%, 2015 년에는 7.9% 로상승할것으로기대된다 [2]. 시장위축과공급과잉으로단가가크게낮아짐에따라당분간은수량성장에비하여수익성면에서는고전할것으로예상되나, 수년내에이러한불리함이해소될것으로전망하고있다. 비정질 Si 태양전지는대면적화의공정에진입하는장벽은낮은편이나효율을높이고공정단가를낮추는것이관건이다. 미세결정 Si의증착속도를높이고두께를낮추어공정비용과시간을줄이는것이경쟁력확보에중요한요소이다. 하지만, 풍부한소재와무독성및우수한내구성은실리콘박막태양전지의매우큰장점이며대면적양산에진입하는장벽도매우낮은편이다. 비정질 Si 태양전지의또다른장점은바로낮은온도계수와빛의강도에따른효율저하가거의없다는것이다. 날씨와장소에대한발전량의변화가적어결정질 Si 태양전지에비하여실효효율이높은이러한요소들은큰장점이된다. 특히, Si 박막태양전지는제조공정의온도가낮고, 롤투롤공정이가능하므로, 기존에결정질 Si 태 46
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 양전지로는구현이힘든유연기판 (flexible substrate) 기반의시장진입장벽은다른박막태양전지에비하여매우낮다. 그래서스테인레스스틸기판위에유연성 Si 박막태양전지를생산하고있는 Uni- Solar 는상대적으로낮은효율에도불구하고 Si 박막태양전지생산업체들중가장시장점유율이크다. 이러한유연성 Si 박막태양전지는앞으로건물일체형태양전지가본격화되면수요가폭발적으로증가될것으로기대되고있다. Si 박막태양전지전체시장도현재는결정질 Si 태양전지의저가화로본격적인시장점유가늦어지고있지만, 향후에 grid parity 도달과더불어수요가급격히증가할것으로전망된다. 3. 염료감응태양전지가. 동작원리 ( 그림 7) 은일반적인염료감응태양전지 (DSSC) 의구조및동작원리를나타낸다. 그림에나타낸바와같이, 가장일반적인형태의 DSSC 는적어도한쪽이상이투명한, 두장의전도성기판중한면에일전 상대전극전해질염료 /TiO 2 층전극기판 I - 15~20nm I 3 e- e- e- e- ( 그림 7) 일반적인 DSSC 의구조및동작원리 극을, 다른한쪽에상대전극을두고, 그사이에전해질을포함하도록구성한다. 일전극은이산화티타니아나노입자를전도성기판위에소결하고, 그소결된입자표면에, 빛을받아전자를내어놓는염료분자를흡착시켜구성한다. 상대전극은전도성기판표면에백금이나탄소등, 전자를잘내어줄수있는촉매를고정한다. 투명기판을통과한빛을흡수한염료는, 전자를이산화티타니아입자로전달하고, 이렇게발생한전류는외부회로에서일을한뒤에, 다시상대전극의촉매를통해, 전지내부에있는전해질에전달된다. 전해질은산화 / 환원반응을통해, 다시염료분자에전자를전달함으로써전체회로를완성하게된다. 나. 제조방법 DSSC 는통상적인반도체태양전지에비해비교적간단한공정, 낮은순도의소재, 저가의장비등으로제조가가능한장점이있다. 일전극의경우, 이산화티타니아페이스트를전도성기판위에 screen printing 또는 doctor blade 방식으로코팅한후에약 450~550 C 로가열하여소결한뒤에, 염료용액속에넣어, 염료분자가이산화티타니아표면에흡착되도록하여만든다. 다양한염료분자를이용할수있으나, 가장일반적으로는루테늄금속에유기리간드가배위되어있는염료가적용된다. 상대전극은전도성기판표면에백금을 sputtering 하거나, 이온성백금용액을 450~550 C 에서환원시켜제작한다. 백금을사용하지않을경우에는탄소나노튜브나, 카본블랙등탄소계열의촉매가사용되기도한다. 이렇게제조한두전극을서로마주보도록접합하고, 그사이에전해질을주입하고봉입하는데, 현재로서는요오드계열의전해질이가장많이적용된다. 47
다. 기술개발동향 DSSC 의개발은고효율화, 고내구성화, 저가화, 디자인성의개선등을목표로진행되고있다. 이를위해서전극, 염료, 전해질, 봉지재등각소재별로개발이활발하게이루어지고있다. 염료의경우, ( 그림 8) 에서와같이, N3, N719 등, 루테늄 -유기분자화합물형태의분자가효율및내구성면에서우수한성능을보이고있어, 가장흔하게사용되고있다. 또한, 이러한염료의리간드에혐수성작용기를부착해서, 염료의탈착을최소화해서전체염료감응태양전지의내구성을높이는염료 (Z907), 나아가이처럼내구성을높임과동시에, π-전자를갖는작용기를부착하여, 흡수되는빛의파장대에도영향을미치는등 (TG6) 다양한염료가개발되어적용되고있다. 또한, 고가의루테늄금속을사용하지않고, 다양한색상의염료를개발할수있는장점이있는순수유기염료도개발되고있다. 전해질로는, 산화환원반응을일으키는종으로 I - / I - 3 를사용하는것이보편적이다. 단지최고효율을얻기위해서는 acetonitrile 용매를주로사용하지만, 끓는점이 82 C 로매우낮기때문에, 내구성문제를해결하기위해서는효율면에서다소불리하더라도 N3 염료 N719 염료 Z907 염료 TG6 염료 ( 그림 8) 다양한 Ru 계열염료 끓는점이높은용매를사용하거나, 나아가서는고형화시킬필요가있다. Ionic liquid 를사용하는방법, gel 형태의전해질을이용하는방법, 전해질과무기물의 nanocomposite 를사용하는방법뿐아니라, 전도성고분자를이용하는방법등다양한시도가이루어지고있다. 이산화티타니아의크기와형상을조절하여효율을향상시키려는노력도있다. 일전극에서흡수되지못하고투과되는빛을산란시켜서재활용하기위해서, 통상적으로사용하는이산화티타니아입자 ( 약 20μm) 보다큰입자층 (200~400μm) 을적용하기도하며, 전자의전달을원활하게해서, 전해질과의전자재결합을최소화해효율을향상시키기위해, 나노튜브형태의이산화티타니아구조를사용하기도한다. DSSC 의전극기판으로는, 통상적으로불소를첨가한산화주석층을전도막으로사용한판유리를사용한다. 그러나, 이는유연한형태의염료감응태양전지로만들수없으므로, 이산화티타니아나노입자를유연한금속기판에서소결시키는방법등이사용된다. 가장손쉬운방법은티타늄포일을일전극의기판으로사용하는것으로, 이는 G24i 등에서상품화에적용되는소재이기도하다. 다만, 티타늄포일은가격이다소고가이므로, 스테인레스포일을사용하거나, 기타다른금속의표면을코팅하여사용하는방법도개발되었다. 전체구성이유연성을갖기위해서는상대전극도유리기판이아닌, 유연한투명고분자필름에인듐- 산화주석을입힌전도성필름을사용한다. 이처럼일전극을금속기판으로구성할경우, 높은온도에서의이산화티타니아의소결처리는가능하지만, DSSC 의특장점이라할수있는반투명한구성을만들수는없다. 따라서, 반투명하면서도유연한 DSSC 를만들기위해서는일전극또한, 금속포일이아닌, 전도성필름을적용하여야하며, 이경우, 고온 48
윤선진외 / 박막태양전지의기술개발동향 소결은불가능하기때문에, 낮은온도에서고압으로압착하거나, 나노입자간에결합제를사용하는방법등을적용한다. 라. 시장전망 DSSC 는국내외기업에서많은개발이진행되고있으나, 완제품의시장판매는아직미미한상황이다. 영국의 G24i 에서는유연기판을사용한휴대용전원공급기를생산하고있으나, 실제매출규모는파악되지못하고있다. 일본에서는 Sharp, Sony, Toyota, Fujikura 등의기업들이, 국내에서는삼성 SDI, 동진세미켐, 이건창호, TG에너지, 상보등에서꾸준히연구개발을하고있으나, 아직시장에대량진출은이루어지지않고있다. 상대적으로낮은효율과안정성문제가해결되고나서, 본격적인규모의경제가도달하기전까지는, DSSC 관련시장은완제품보다는개발용원재료위주로유지될가능성이높아, 연구개발을위한기초소재시장이먼저활성화되고있다. 대표적인해외기업으로는스위스의 Solaronics 와호주의 Dysol 이 DSSC 용소재전반에대해공급하고있다. 각소재별로특화된기업으로는대만의 Everlight Chemical 에서는염료를, 일본의 CCIC 에서는이산화티타니아를생산하고있다. 국내에서는이앤비코리아가이산화티타니아를생산하고있고, CSelsolar 와오영산업에 양전지는고효율면에서, Si 박막태양전지는소재의풍부함과안정성면에서, DSSC 는제조공정이간단하고저가화에유리하다는장점들을가지고있다. 이러한박막태양전지기술개발은단점을극복하고고효율화와저가화를달성하기위한방향으로이루어지고있다. 위에소개한태양전지를포함한차세대태양전지들중에서도무기소재기반태양전지의경우단기적이고집중적으로기술을개발하여조기에상용화하는것을목적으로하며, 유기소재기반태양전지의경우소재의안정성을확보하고초저가화를목표로장기적으로접근하고자하는큰흐름을따르고있다고볼수있다. 지구상에서얻을수있는에너지중가장청정하고고갈되지않는태양에너지를활용하는태양전지기술의개발필요성은더이상강조할필요가없겠으며, 그시장의잠재력과성장가능성은그어느기술보다크다. 이러한태양전지기술의개발은국가경쟁력확보를위해서도매우중요하다. 아직개발하여야할숙제를많이안고있는차세대기술인박막태양전지기술개발에대한투자와지원이적기에이루어질경우, 앞으로우리나라박막태양전지기술이우리나라경제를견인하는주요동력이될것으로예상한다. 약어정리 서염료를생산하고있다. BIPV building integrated photo-voltaic, 건물통합형태양광발전시스템 Ⅳ. 결론본고에서차세대태양전지인 CIGS 태양전지, 비정질 Si 박막태양전지, DSSC 에대해서소개하였다. 앞절들에서기술한바와같이각태양전지종류별로그특성이매우다르고장단점이서로다르다. CIGS 태 CIGS Cu(InGa)Se 2 DSSC dye sensitized solar cell NREL National Renewable Energy Laboratory 미국신재생에너지국립연구소 참고문헌 [1] IEA(International Energy Agency), Clean En- 49
ergy process Report, 2011. [2] Solar & Energy, 플렉서블박막태양전지기술및 시장전망 (2006~ 2015), 2011. [3] 한국전자통신연구원, CIGS 박막태양전지기술연 구, 2009. [4] 한국에너지기술평가원, 비진공프린팅법을적용한 CIGS 박막태양광서브모듈개발, 2011. [5] 김제하외, 박막형태양전지기술및산업동향, 전 자통신동향분석, 제 23 권, 제 6 호, 2008. [6] 지식경제부, 고효율장수명금속유연기판 CIGS 박 막태양전지및모듈양산기술개발, 2009. [7] http://www.solarplaza.com/ [8] 박진호, 태양광산업현황과기술개발주요이슈, 그린에너지기술, 통권 2 호, 2011 [9] Solar & Energy, CIGS 박막태양전지생산용량과 생산량전망 (2006~ 2015), 2011. [10] A. Shah, Thin-Film Silicon Solar Cells, EPFL Press, 2010. [11] J. M. Lee et al., Texturing of Ga-Doped ZnO Transparent Electrode for a-si:h Thin Film Solar Cells, Electrochem. Solid-State Lett., vol. 14, no. 11, 2011, pp. B124-B126. [12] J.K. Kim et al., High-Performance Transparent Conducting Ga-Doped ZnO Films Deposited by RF Magnetron Sputter Deposition, Jpn. J. Appl. Phys., vol. 49, 2010, pp. 04DP09. [13] 윤선진, 김준관, 임정욱, 마그네트론스퍼터증착법으로증착한 ZnO 계투명전극의특성과응용, 인포메이션디스플레이, 11 권, 5 호, 2010, pp. 23-32. [14] J.K. Kim et al., Effect of Deposition Conditions and Crystallinity of Substrate on Phase Transition of Hydrogenated Si Films, J. Electrochem. Soc., vol. 158, no. 7, 2011, pp. D430-D434. [15] A.V. Shah et al., Thin-film Silicon Solar Cell Technology, Prog. Photovolt: Res. Appl., vol. 12, 2004, pp. 113 142. 50