IT R&D Global Leader IT- 에너지 : 박막태양광에너지기술동향및전망 2008. 10. 30. 김제하 (jeha@etri.re.kr) 차세대태양광연구본부
발표순서 u 태양광산업개요 u 태양전지기술분류 u CIS/CIGS 태양전지기술현황 u 태양전지산업현황및전망 u 맺음말 - 2 -
왜태양광에너지인가? u 지구에들어오는태양에너지 (12만 TW) è 지구사용에너지 (12 TW) 의 10,000배 u 에너지문제해결 u 온난화문제해결 u 신성장동력창출 카타리나태풍 : $69.81 9/11 테러 : $27.77 걸프전쟁 : $23.11 이라크전쟁 : $28.60-3 -
태양광에너지의잠재력 (PV Land Area Requirements) (Global Demand of Primary Energy) solar Electricity gas oil coal wind biomass source : the European renewable energy council u (6 places) at 3 TW each = 18 TW u 세계태양전지생산량 = 3.4 GW (2007)* u 세계태양전지생산예측 = 10~15 GW (2010) * source: SolarBuzz TM, March 2008-4 -
태양전지의응용 가정용및상업용 (BIPV * ) Solar NEXT???? *BIPV = Building Integrated PhotoVoltaics 계통연계산업발전 (Utility-Tied) Solar Textile 이동전원및충전용 (Off-Grid) - 5 -
태양광발전산업의전망 Market Size ( Billion $) 180 160 140 120 100 Memory Semiconductor Photovoltaics Employment 74,000 CO 2 Saving 5 M ton 2015 80 Employment 60 780,000 CO 2 Saving 40 Employment 59 M ton 20 271,000 CO 2 Saving 0 15 M ton 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 Year Employment 1,840,000 CO 2 Saving 192 M ton PV Market will exceed Memory Semiconductor by 2015-6 -
태양전지시장전망 Source: Yole 2008-7 -
국내태양전지산업현황 (2008.4. 현재 ) 분야 주요업체명 2008 년도업체수 비고 소재 (Si) Cell 장비 원재료 Ingot Wafer Crystal Thin Film Module 소디프신소재 1 모노실란 동양제철화학, KCC, 삼성석유화학 3 폴리실리콘 렉서, LG 실트론, 스마트에이스, 심포니에너지, 웅진에너지, 퓨처비전, 퀄리플로나라테크, 솔믹스 스마트에이스, LG 실트론, 네오세미텍, 넥솔론, 퀄리플로나라테크, 렉서, 대산이엔씨, MEMC 코리아 KPE, 현대중공업, 신성엔지니어링, LG 전자, STX 솔라, 미리넷솔라 한국철강, LG디스플레이, LG화학 (a-si) LG마이크론 현대중공업, 에스에너지, 심포니에너지, 에타솔라, 경동솔라, 쏠라테크, LG 산전, Unison, 이건창호, 미리넷솔라, 경남알미늄 9 다결정 ( 렉서, 심포니에너지 ) 8 다결정 ( 퀄리플로나라테크 ) 6 4 CIGS: LG 마이크론 공정장비아바코, IPS, 주성엔지니어링, 알파플러스 3 Sputter, CVD, Etcher 등 부품티씨케이 1 성장장치용흑연부품및 SiC wafer u 1 세대결정형 Si 태양전지에제품군집중 u Module 조립중심의산업형태 11-8 -
발표순서 u 태양광산업개요 u 태양전지기술분류 u CIS/CIGS 태양전지기술현황 u 태양전지산업현황및전망 u 맺음말 - 9 -
태양전지의정의및기술분류 (1/2) E PV (W) = e sun h A, e sun = solar energy density (W/m 2 ); 1,000 W/m 2 for AM1.5 h = conversion efficiency (%) A = effective area of receiving solar radiation Silicon Crystalline Thin film Single, Poly Amorphous Silicon (a-si) PV cell technology Compound semiconductor Crystalline Thin film GaAs, InP CIS/CIGS CdTe Organic & nonorganic Thin film DSSC Organic Thin film polymer - 10 -
태양전지의정의및기술분류 (2/2) 세대구분 구분 시장점유율 모듈효율 특징 단결정 Si 1 세대 2 세대 3 세대 결정형 다결정 Si 박막형 III-V 박막 Si CdTe CIGS 염료감응유기나노 42% 43% < 0.1% 12% 2.7% 0.2% < 0.1% < 0.1% 15% 12% 35% 8% 10% 12% 7% < 5% 신뢰성확보안정된생산공정 고비용공정, 소재가격인하한계 고효율생산단가저렴생산단가매우저렴 고비용소재 저효율 / 내구성 독성소재 고비용소재 내구성미확보 저효율 신개념 - 11 -
태양전지의기술발전 1987: Gallium band-gap engineering; 1982: Co-evaporation CIS to CIGS process developed at Boeing 1993: Sodium influence on crystal growth discovered 1996: Three-stage process & temperature above Cu-Se monotectic 2001: Substrate temperature at the end of 2 nd stage - 12 -
태양전지의효율비교 (1 Sun) CIGSe 셀 CIGSe 모듈 Ref.; L. L. Kazmerski, J. Electron Spectroscopy, 150 (2006), 105~135-13 -
태양전지의가치사슬 : 결정형, 박막형 결정형 Si 소재 잉곳 웨이퍼 셀 PV 모듈 태양광발전시스템 박막형 박막공정에의한모노리식집적태양전지 ( 유리기판또는금속 foil 기판, roll-to-roll) PV 모듈 태양광발전시스템 국내생산업체없음 - 14 -
모듈제작공정비교 u 박막형태양전지공정의특징 짧은공정단계 (1/2) Monolithic integration Polysilicon Sorting Polysilicon type check Polysilicon Etch Chemical etching Phophorous diffusion Cleaning etch Stringing Circuit assembly Circuit Deposit base electrode Cut interconnect Lamination Crystal growing Ingot Shaping AR coating Front print Laminate assembly Cut isolation Scribe Deposit Precursors Absorber formation Junction Formation Deposit window Cut isolation scribe Attach leads I-V test for cell Module assembly I-V test for module Module Ingot sizing Mounting Wire-saw cutting Cleaning Ingot Fine paste edge isolation Cell test Lamination Module assembly I-V test Module Circuit Wafer Cell ( 박막형태양전지 ) ( 결정형 Si 태양전지 ) - 15 -
태양전지셀기술현황및 PV 비용 / 가격전망 Technology 생산비용 / 판매가격전망 재료 Cell 기술 최고양산효율 (%) 최고실험실효율 (%) 2006 Cost / Price ($) 2010 Cost / Price ($) 2015 Cost /Price ($) 결정실리콘 (Si) 단결정실리콘 20 24.7 2.50 / 3.75 2.00 / 2.50 1.40 / 2.20 폴리실리콘 17.5 20.3 2.40 / 3.55 1.75 / 2.20 1.20 / 2.00 결정 - 기반실리콘 (Si) 비정질실리콘 (a-si) 리본 / Sheet Si 집광형 비정질실리콘 (a-si) 20 22 2.00 / 3.35 1.60 / 2.20 1.00 / 1.70 24 (Si) 29 (Si), 40.7 (GaAsP) 3.00 / 5.00 1.50 / 2.50 1.00 / 1.70 8.0 12.1 1.50 / 2.50 1.25 / 1.75 0.90 / 1.40 화합물반도체 CIS / CIGS 12 19.9 1.50 / 2.50 1.00 / 1.75 0.80 / 1.33 CdTe 10 16.5 1.50 / 2.50 0.80 / 1.50 0.65 / 1.25 Factory Profitable Price 2.50 ~ 3.75 1.50 ~ 2.50 1.25 ~ 2.20 Ref: Paul Maycock (PV energy), 33 rd IEEE PVSC (2008) - 16 -
결졍형 Si 과박막형태양전지의비교 1 세대결정형 Si 태양전지의장 단점 안정된성능 è 태양광발전시장주도 (90% 이상 ) 실리콘공급부족으로신규확대의어려움 고비용 è 타에너지대비가격경쟁력확보곤란 뒤늦은기술개발 / 산업화 è 일본, 독일, 중국에비해경쟁력열세 - 투자회수가완료된외국에비해국내기업의투자경제성낮음 2 세대박막형태양전지의장 단점 산업화초기단계 è 기술및산업경쟁력확보가능 - 세계최고반도체 / 디스플레이기술및장비핵심역량보유 1 세대결정형 Si 태양전지에비해가격경쟁력우수 - 결정형 Si 에비해에너지회수기간 ½ - 박막형으로재료절감, 대면적및 roll-to-roll 공정가능 u 대면적, 고효율및신뢰성확보의문제점 è 세계기술선도기회 - 17 -
발표순서 u 태양광산업개요 u 태양전지기술분류 u CIS/CIGS 태양전지기술현황 u 태양전지산업현황및전망 u 맺음말 - 18 -
CIGS PV 구조와공정기술 Al/Ni contacts - + MgF 2 CdS CuInGaSe 2 Mo 기판 ZnO 250 nm CdS 70 nm CIGS 1-2.5 µm Mo 0.5-1 µm Glass 층구분소재구분공정기술 전면금속 Al / Ni 전자선증착 ( 무반사막 ) MgF 2 전자선증착 투명창 n-al:zno / i-zno RF 스퍼터링 (MOCVD) 버퍼 CdS CBD ( 화학적용액증착 ) 광흡수층 CuInGaSe 2 (CIGS) 동시증발법, 스퍼터링 + 셀렌화, 황화 후면금속 Mo DC 스퍼터링 박막기판유리판, 스텐레스스틸 foil, 폴리머기판세척 - 19 -
CIGS 태양전지의기술현황 (Glass/Mo/CuIn(Ga)Se2/CdS/i-ZnO/Al:ZnO) 효율 (%) 면적 (cm 2 ) 연구기관비고 최고셀 19.9 0.4 NREL 최고모듈 13.4 3459 Showa Shell 생산품 12.0 (80W) 7230 Wuerth Solar PVD, CuInGaSe 2 RMP, CuInGaSe 2 PVD, CuInGaSe 2 셀과모듈사이의효율차이극복이절대필요함! - 20 -
CIGS 소재의강점및약점 Direct bandgap 반도체 ; ( 높은효율 ) Wide bandgap engineering (Quaternary): 1.0~2.7 ev (with Ga, Al, S doping) 높은광흡수계수 ; a > 10 5 cm -1 for CIS Stability & Radiation resistant 고가의인듐 (Indium) 소재 비싸고복잡한생산공정 (CdTe 대비 ) 4 원소반도체로조성제어가복잡 표준화된장비부재 - 21 -
CIS/CIGS 증착방법 Elemental co-evaporation 단위금속인 Cu, In, Ga, Se을동시에고온기판에증착함. 최고효율의화합물반도체박막태양전지제작가능 박막의조성및 gradient를조절가능 양산기술 : 1980년대 Boeing 에서개발 In-line 공정을여러기업에서개발중이거나생산에이용하고있음. 대면적모듈 > 13% Precursor reaction two-step processes: Cu + In + Ga + (Se) Se, S Cu(InGa)(SeS) 2 1단계 precursor 박막증착 2단계 Se과반응 잠재적저가가능성 균일성및높은재료활용도 셀성능 è 많이알려지지않았으나 wide E g 와비교할만함. 양산기술 : 1980년대 ARCO Solar 에서개발 Batch, RTP공정을여러기업에서개발중이거나생산에이용하고있음. 대면적모듈 > 13% - 22 -
인라인증발법 (evaporation) Cu, In, Ga 어레이증기원위에고온기판을진행시켜순차적으로증착함. 사용기판종류 : 유기기판 금속 foil, 플라스틱, 폴리머등 è roll-to-roll 공정 양산성이점 (manufacturability) 연속 roll-to-roll 공정 è high throughput 공정재현성 대면적화 (scalable to wide areas) Cu In Ga - 23 -
인라인 CIGS 프리커서증착법 Step 1: Precursor Coating Step 2: RTP-CIGS Formation Glass Substrate CIGS Module Fabrication Mo Cu(Ga) In Se 1. CIGS-Precursor-Layers: - DC Sputtering of Cu, In, Ga - Se line source evaporation - Defined Sodium (Na) doping 2. RTP: Rapid Thermal Processing - High heating rates - Short cycles - Selenium / Sulphur atmosphere è In-line compatible, fast, scalable Ref.: Volker Probst, Shell Solar GmbH, Munich (Germany) in PV Net Workshop, Feb. 14, 2003, Ljubljana - 24 -
유연기판 CIGS 태양전지 R2R 공정 Non-vacuum deposition + Selenization/surfurization J. S. Britt (Global Solar Energy Inc.) - 25 -
인듐소재의경쟁기술간수요예측 Recent Annual Consumption Tellurium Share, (Ton) Share (%) Trend Iron & Steel 200 42 «Nonferrous 40 8 «TE, PV, & IR 105 22 Chemicals 110 23 «Other 20 5 «Total 475 100 Recent Annual Consumption Indium Trend Share (Ton) Share (%) Monitor 190 33 TV 140 24 Notebook PC 85 15 Cell Phone 65 11 Other* 100 17 «Total 580 100 $1,200 $1,000 $800 $600 $400 $200 $0 인듐 (In) 의가격 ($/kg) 변동성 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 CIGS PV cells/1 GW 당 8~10 ton 의인듐을사용함. è 당분간충분함! 2003 2005 *Alloys and solders, electrode-less lamps, mercury alloy replacements, nuclear control rods, phosphors, alkaline batteries, and semiconductors including LED and PV. Ref.: Vasilis Fthenakis, Brookhaven National Laboratory (USA), 33 rd IEEE PVSC, May 2008, San Diego USA - 26 -
PV 모듈생산비용비교 Anticipated Future Module Efficiency and Relative Cost Based on Today s Demonstrated Champion Cell Performance Technology Future commercial module performance (80% of current record cell efficiency) Future Relative Performance Future Relative-cost (using a 50% thin film PV advantage) Si (non-standard) 19.8% 1.18 0.85 (competitive) Si (standard) 17.0% 1.00 1.00 (reference) CI(G)S 15.9% 0.92 0.54 (highly competitive) CdTe 13.2% 0.78 0.64 (highly competitive) a-si (1-j) 8.0% 0.47 1.06 (about the same) a-si (3-j) or a-si/nc-si 9.7% 0.57 0.88 (competitive) Source : Bolko von Roedern and Harin S. Ullal (NREL), 33 rd IEEE PVSC (2008) - 27 -
결졍형 Si 과 CIGS 태양전지의비교 CI(G)S 결정형 Si 변환효율 외관 제조비용 공정난이도 내환경성 EPT* 초기투자 * EPT: Energy Payback Time ( 투입에너지회수기간 ) - 28 -
기술및산업화과제 u 어떻게저가화를실현할것인가? 박막태양전지 Cost = 소자 (50%)+ 부대비용 (50%) u PV 소자효율향상 태양전지 (PV) 셀효율향상 셀과모듈의효율격차극복 u 모듈양산성향상 대량생산을위한 Scale-Up 스루풋증진방안 소재비용의혁신적절감 u 부대비용절감 (Balance of System) 자동화 / 표준화 - 29 -
발표순서 u 태양광산업개요 u 태양전지기술분류 u CIS/CIGS 태양전지기술현황 u 태양전지산업현황및전망 u 맺음말 - 30 -
TOP 15 PV 생산업체들 (2007) Rank in 2006 1 2 3 Tie 4 Tie 4 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Q-Cells (DE) Sharp (JP) Suntech (CH) First Solar Kyocera (JP) Motech (TW) Sanyo (JP) SunPower (PH) Baoding Yinghi (CH) Solarworld BP Solar Mitsubishi (JP) JA Solar (CH) Solarfun (CH) Isofoton (ES) CdTe 2 1 4 3 13 7 5 11 17 10 9 6 22 23 12 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 Production (MW) - 31 -
태양전지시장점유율변화 Source: Yole 2008-32 -
박막태양전지기업의증가추이 Source: Greentech InDetail 2008-33 -
박막태양전지기업의변화 (³ 25 MW) CIGS for 2009? Source: Greentech InDetail 2008-34 -
태양전지장비시장변화예측 Source: Yole 2008-35 -
미국 Solar America Initiative 비전 - 36 -
First Solar 의양산화비전 (CdTe) 연속 end-to-end 컨베이어공정, 유리기판 - 모듈 / 2.5 시간공정 u Capacity Expansion Plan; ~1.0 GW (2009) 1200 1012 Capacity (MW) 1000 800 600 400 308 484 200 25 100 0 2005 2006 2007 2008 2009 u Grid Parity 을위한목표 : 2010-2012 Consumer cost of 8-10 / kwh (U.S. National Average) Turnkey PV systems cost of ~$2.00 - $2.50 / W Modules price of ~$1.00 - $1.25 / W (Mass Market) - 37 -
ETRI 의태양광산업비전 (TFPV1570) 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 건물일체형 (BIPV) 305 원 /kwh 소규모태양광발전 175 원 /kwh 대용량태양광발전 70 원 /kwh 타에너지발전단가 : 석유 115 원 /kwh, 원자력 40 원 /kwh (2007 현재 ) - 38 -
감사합니다 - 39 -