태양전지개발의현황과전망 한국에너지기술연구원, 태양광연구단 이정철 042-860-3415, jclee@kier.re.kr
목차 PART I. 태양전지현황 : 태양전지종류, 특성, 생산현황및전망 PART II. 결정질실리콘태양전지 : 태양전지종류, 구조및동작원리, 손실요인, 개발전망 PART III. 박막태양전지 : 태양전지종류, 구조및동작원리, 개발전망
1-1. 태양전지종류 : 재료별분류 PART I. 태양전지현황 실리콘 화합물 기타 Bulk 박막 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ Ⅱ-Ⅵ 단결정 다결정 Cz Fz Casting Ribbon Magnetic field applied Czochralski Continuous CZ Liquid encapsulated CZ (LECZ) Silso Heat Exchanger Method (HEM) Ployx Edge defined Film feed Growth (EFG) String ribbon Ribbon Growth on Substrate (RGS) Zone Melting Recrystallization (ZMR) Laser Annealing 다결정 Rapid Thermal Annealing (RTA) Solid Phase Crystallization (SPC) a-si, a-sige 비정질 / 미세결정질 a-si/a-sige, a-si/μc-si a-si/a-sige/a-sige, a-si/poly-si/poly-si CuInSe 2, Cu(In,Ga)Se 2, Cu(In, Ga)(S, Se) 2 Electrodeposition Vacuum Evaporation CdTe Close-Spaced Sublimation (CSS) Screen Printing Chemical Vapor Deposition CdS Spray pyrolysis Chemical Bath Deposition (CBD) 박막 AlGaAs/GaAs, (p)algaas/(p)gaas/(n)gaas 등 GaAs Ⅲ-Ⅴ Bulk GaAs/Si InP 염료감응형 (TiO 2 ), 양자점태양전지 Siemens Method Vapor to Liquid Deposition
1-1. 태양전지종류 : 세대별분류 PART I. 태양전지현황
1-2. 태양전지종류별광변환효율 : Lab 규모셀 PART I. 태양전지현황 a-si:h/µc-si:h ( ~ 13%)
1-2. 태양전지종류별광변환효율 : 셀 vs 상용모듈 PART I. 태양전지현황
1-3. 태양전지종류별생산량 ( 시장점유율 ) PART I. 태양전지현황 6000 기타 태양전지시장 환경친화적태양광기술의성장잠재력 5000 미국 - 2008 년 $ 300 억시장 ( 성장률 : 50%) MW 4000 3000 일본스페인독일 - 2015년메모리반도체시장추월 - 21세기에너지시장주도 (2030년시장 4,540억유로 ) 2000 1000 0 300 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 향후시장전망 5000 결정질 Si 태양전지의경제성향상에한계 - 태양광모듈가격 : $ 3.5/W - 정부주도시장 ( 발전차액, 보조금등 ) 태양광발전단가 200 100 0 연간보급 (GW) 연간시장 ( 억 EURO) 2010 2020 2030 4000 3000 2000 1000 0
1-3. 태양전지생산량 : 종류별추이 PART I. 태양전지현황 sc-si 40.8 37.4 34.6 36.4 32.2 36.2 38.4 43.4 42.2 38.3 a-si/c-si (HIT) : 3% mc-si 박막증가현저 CdTe a-si CIS 42.1 48.2 50.2 51.6 57.2 54.7 52.3 46.5 45.2 47.7 ( 전년 10.4%) 박막화합물 > 실리콘 CdTe 6.4% Si 5.1% CIGS 1.0% 합계 12.5% ribbon/ sheet Si 0.5 0.3 0.5 12.3 0.7 9.6 8.9 1.1 6.5 4.5 1.1 1.4 2.7 4.7 6.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.6 4.3 4.7 4.7 5.2 5.1 4.1 4.3 5.6 4.6 4.4 0.4 0.2 3.3 3 0.2 2.7 0.5 2.3 1.5 1 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 박막태양전지 Photon Int,l, March 2009
1-3. 태양전지생산량 : 지역별 PART I. 태양전지현황 9000 MW 8000 7000 6000 5000 4000 기타중국대만일본유럽미국 2008년 : 7,910 MW 중국 : 2,589 MW 독일 : 1,461 MW 일본 : 1,269 MW 대만 : 920 MW 3000 2000 1000 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 기타 21.9 27.3 39.9 76 101 100.5 167 241.1 680.4 중국대만 2.5 6.5 16 26 75 222 547 1662.2 3508.5 일본 128.6 170.5 247.2 363.9 594.1 833 926.9 932 1269 유럽 60.7 97.5 140.9 202.4 344.1 476.6 678.3 1170.7 2020.6 미국 75 99.8 115.6 83.8 141.5 154 201.6 273 431.5 PV News, Photon Int l, March 2009 제 8회표준 ( 연 ) 측정클럽종합워크숍 2009년 5월 22일, 14:00~14:45, 표준연구원
1-3. 태양전지생산량 : 주요생산기업 PART I. 태양전지현황 700 600 500 400 MW 300 Q-Cells ( 독일 ) First Solar ( 미국 ) Suntech ( 중국 ) Sharp ( 일본 ) JA Solar ( 중국 ) Kyocera ( 일본 ) Yingli ( 중국 ) Motech ( 대만 ) SunPower ( 필립핀 ) Sanyo ( 일본 ) 200 100 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 Year PV News, March 2009
1-3. 태양전지생산량 : 생산 vs 보급시장 PART I. 태양전지현황 태양전지모듈의생산량과잉현상장기적지속전망 - 160% (2009 년, 생산량 : 11.1GW, 설치량 : 4.2), 100%(2012 년 ) 2009 년모듈평균가격예상 약 2.5 ~ 2.75 $/W 12 11.1 10 7.7 8 GW 6 4 2 3.8 4.2 0 2008 2009* Source : isuppli s data
1-4. 태양전지생산량전망 : 재료별 PART I. 태양전지현황
1-4. 태양전지생산량전망 : 지역별 PART I. 태양전지현황
1-5. 태양전지가격 : 현황 PART I. 태양전지현황
PART II. 결정질실리콘태양전지 태양전지시장점유율 ~ 85%
2-1. 구조및동작원리 PART II. 결정질실리콘태양전지
2-1. 구조및동작원리 PART II. 결정질실리콘태양전지 V p > V n I ph scr hv > Eg diffusion V n (-) N P V p (+)
2-2. 광변환효율추이 : Lab vs Commercial 셀 PART II. 결정질실리콘태양전지
2-3. 태양전지종류 PART II. 결정질실리콘태양전지 World record sc-si solar cell (PERL) : 24.7% (2x2 cm 2 ), UNSW PERL (Passivated Emitter Rear Locally-diffused) cell Two step emitter 접촉저항최소화 Inverted pyramids 구조입사광손실최소화 Front surface passivation 케리어재결합최소화 기판 FZ, p-type, 1Ω-cm, 200 μm Rear surface passivation 케리어재결합최소화 Finger (15 μm width, 8 μm thick.) Busbar (150 μm width) Local p + -doped BSF 접촉저항최소화
2-3. 태양전지종류 PART II. 결정질실리콘태양전지 Substrate : n-type Front and rear surface passivation (SiO 2 ) Front surface field Rear point contact Double AR coating SunPower Rear Contacted Solar Cells : 21.5% (148.9cm 2 ) Normal pyramids 구조
2-3. 태양전지종류 PART II. 결정질실리콘태양전지 Sanyo HIT Solar Cells : 21.5% Substrate : n-type (high carrier lifetime) Front and rear surface passivation (a-si:h) Back surface field 후면 a-si:h/tco : internal reflection 향상, 저항최소화 ITO (TCO + AR) p + a-si:h (<10nm) i a-si:h (<5nm) 기판 CZ, n-type, 1-5Ω-cm, 250 μm i a-si:h (<5nm) n+ a-si:h (<10nm) ITO
2-3. 태양전지종류 PART II. 결정질실리콘태양전지 Commercial mc-si solar cells : 14-16% 상용공정 : 효율 vs 제조공정비용 전략 : moderate efficiency + low production cost` Not optimized pyramids : 높은반사손실 Low Jsc Single AR coating 높은반사손실 Low Jsc 다결정실리콘기판 Small carrier lifetime (high bulk recombination) : low Jsc and Voc Full area Al-BSF 높은후면재결합속도 : low Voc
2-4. Value Chain PART II. 결정질실리콘태양전지 Siemens reactor SiO2 Silica Metallic Silicon (MG-Si) 98~99% Si Carbon reduction HCl Trichlorosilane (TCS) purification Fluidized Bed Reactor (FBR) Poly-Si Chunk/Nugget Poly-Si granules Screen printing (metal) Anti-reflection coating Sintering (belt-furnace) pn junction Testing & sorting Cleaning & texturing wafer CZ growing Single crystal Casting Multi crystal Cell testing & tabbing Interconnection (string) lamination test
2-4. Value Chain PART II. 결정질실리콘태양전지 Poly-Si Mono, Multi Ingots Wafering Solar Cells Module Systems -Hemlock - Wacker Chemie - Tokuyama -MEMC -REC (ASIMI) - Elkem Solar - Misubishi - Sumitomo - Dow Corning - PCMP (Podolsk) - Pillar - PV Crystalox -M. Setek -REC-SiTech - Wacker Chemie -MEMC -Sitix - Luoyang - Swiss Wafer - Silicon Ltd (Svetlorodsk) - PCMP (Podolsk) - Pillar -Solar World -Kyocera -M. Setek -REC Scan Wafer - BP Solar - Swiss Wafer - PV-Crystalox - Asi (Erfurt) -Sumco Solar - Silicon Ltd (Svetlorodsk) - Schott Solar -Sharp -Q-Cells -Solar World -Kyocera -Sanyo - Suntech -Motech - BP-Solar - Schott Solar - REC Solar - Sunpower -Kyocera -Sharp - BP-Solar - Suntech - Conergy -SMA - KALO - Sputnik -Kyocera -Sharp 자료 : KIER 유진수박사
2-5. 제조공정 PART II. 결정질실리콘태양전지 Source : Dr. Stefan Gall (HMI, Germany)
2-5. 제조공정 PART II. 결정질실리콘태양전지 Source : Dr. Stefan Gall (HMI, Germany)
2-5. 제조공정 : 관련장치 PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : 관련장치 PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : 관련장치 PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : Factory layout (30MW/yr) PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : Factory layout (20MW/yr) PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : Factory layout (60MW/yr) PART II. 결정질실리콘태양전지
2-5. 제조공정 : Mass production of Q-cells PART II. 결정질실리콘태양전지
2-7. 국내생산현황 PART II. 결정질실리콘태양전지 자료 : KIER 유진수박사
2-7. 국내생산현황 PART II. 결정질실리콘태양전지 경기평택한국알박경기평택제스솔라 경기광주주성엔지니어링 인천광역시 1MW 2006년 10월 강원도춘천 30kW 2005 년 5 월 강원도동해 1MW 2006 년 9 월 충북증평충북증평신성홀딩스 50MW 한국철강 20MW (2015년 1GW 계획 ) 충북음성충북음성현대중공업 30MW 경동솔라 20MW (2009년 330MW 계획 ) (2012년 400MW 계획 ) 충북청원다스테크 14MW 충남태안대전 14MW 60MW LG솔라에너지에스에너지 대전웅진에너지 1,400t (2014 년 5000t 계획 ) 전북군산동양제철화학 5000t (2014 년 26,500t 계획 북제주한경 60kW 2006 년 7 월 구미실트론 100MW 대구미리넷솔라 30MW (2010 년 300MW 계획 ) 경북칠곡 200kW 2004 년 9 월 경북여천삼성에버랜드 14.8MW 경남창원 KPE 100MW (2013 년 300MW 계획 ) 경남고성 100kW 2005 년 10 월 전남광양전남순천전남순천광주 99kW 850kW 800kW 심포니에너지 2006년 5월 2006년 5월 100MW 전남광양전남순천광주광산전남순천 99kW 100kW 100kW 파루 2006년 5월 2005년 11월 2006년 7월 전남무안전남순천전남신안 1MW 200kW 동양태양광발전소 2006 년 10 월 2006 년 3 월 24MW 폴리실리콘잉곳 웨이퍼태양전지모듈 PCS 장비시스템태양광발전소 자료 : KIER 유진수박사
2-8. 국내보급현황 Cumulative (MW) 400 350 300 250 200 150 grid-connected centralized grid-connected distributed off-grid domestic off-grid non-domestic Cumulative cap. 357 MW *tentatively estimated 276 MW 100 50 22 45 0 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
2-7. 문제점 PART II. 결정질실리콘태양전지 40 35 30 25 20 15 10 5 0 Electricity generation cost (US cents/kwh) 25~40 cents/kwh solar coal nuclear gas wind oil Source : CLSA Report PV power is 3-10 times more expensive Modules 9% System 26% Solar cells 14% Si material 21% Si wafer 30% Source : SEMICON Europe 2006 SoG poly-si Ribbons, Thin-wafer Thin-films
PART III. 박막태양전지
3-1. 박막태양전지종류 PART III. 박막태양전지 PECVD VTD Co-evaporation Sputtering & selenization R&D R&D cell cell efficiency ~ 9% 9% ~ 16% 16% ~ 20% 20%
3-2. 박막태양전지장점 PART III. 박막태양전지 n+ emitter p c-si wafer ~ 220 μm Thin-film Silicon CuInGaSe 2 CdTe 0.3 ~ 3 μm Low cost substrate (glass, plastic, SS sheet, etc) Low material cost : 저가기판, 박막 ( 기준 1/100 수준 ) Low production cost : 저온공정, 대면적 in-line 공정, 셀및모듈공정통합 High efficiency potential : CIGS (~20%), CdTe (~ 17%), a-si:h (~13%) High Energy Rating A variety of application area - See-through module (BIPV, windows) - Flexible module (BIPV, 휴대용비상전원 : 군사용, IT 보조전원등 )
3-2. 박막태양전지기술 : 장점 (high energy rating) PART III. 박막태양전지
3-2. 박막태양전지기술 : 장점 (Simple module process) Si-wafer PV module Thin-film PV module PART III. 박막태양전지 Ribbon Solar Cell Glass EVA Solar Cell Laminated Module Back Sheet Frame 300mm Terminal Box Power Cable 400mm
3-3. 박막태양전지기술 : 단점 PART III. 박막태양전지 결정질실리콘에비해낮은효율 : 결정질모듈 (13 ~ 14%), 박막모듈 (6 ~ 11%) - 실리콘 TF : 낮은효율 ( 광열화 ), 다중접합시높은장치투자비 - CdTe TF : Cd - CIGS TF : 대면적양산장비 (Co-evaporation, co-sputtering & selenization)
3-4. 실리콘박막태양전지기술 : 종류 PART III. 박막태양전지 p-i-n a-si:h (~ 500nm) glass TCO Single R&D cell ~ 9% Module ~ 7% Top-cell a-si:h a-sic:h Bottom-cell a-si:h a-sige:h nc-si:h nc-sige:h glass TCO Top-cell a-si:h a-sic:h middle-cell a-si:h a-sige:h nc-si:h nc-sige:h glass TCO Double ~ 12% ~ 10% Bottom-cell a-si:h a-sige:h nc-si:h nc-sige:h Triple ~ 13%
3-4. 실리콘박막태양전지기술 : 구조및동작원리 PART III. 박막태양전지 Si-wafer (pn junction) Si-film cell (pin junction) n+ emitter p c-si wafer 250-350μm
3-4. 실리콘박막태양전지기술 : 제조방법 PART III. 박막태양전지 1. champer 2. Pre-Clean 3. TCO dep. 4. Pattern 1 5. Pattern 1 Clean 6. PIN Dep. 8. ZnO Dep. 7. Pattern 2 Lamination 9. Metallization Source : Jusung Eng.
3-4. 실리콘박막태양전지기술 : 제조방법 PART III. 박막태양전지 Test + Contact Glass cutting Glass Snapping Glass Buffer Laser Scribing(P3 ) Laser Scribing(P4 ) Glass Buffer MOCVD ZnO Seaming 1 Laser Scribing(P2) Glass Cleaning Seaming 2 Metalliz ation Glass Buffer Module Process Auto Clave PECVD a-si PIN Laser Scribing(P1) Module Testing & Simulation Glass Loading Glass Inspection Glass Cleaning Glass Cleaning Glass Buffer Source : Jusung Eng.
3-4. 실리콘 박막 태양전지 기술 : 제조장치 Glass substrate Source : Oerlikon Source 제 8회 표준(연) 측정클럽 종합 워크숍 2009년 5월 22일, 14:00~14:45, 표준연구원 : Applied Materials
3-4. 실리콘박막태양전지기술 : 제조장치 Flexible substrate 상용화 : United Solar (30MW/yr)
3-6. Issue Higher efficiency short term : ~ 15% stab. cell & 12% commercial module mid & long term : ~ 18% stab. Cell & 15% module - multi-junction (triple junction) - light management (trapping, inter-layer, etc) - materials (TCO, window layer, absorber, back reflector, etc) - cell design Higher throughput - deposition rate of nc-si:h film > 2.5nm/s @ 4m 2 - cleaning rate > 20nm/s - novel plasma source - novel cleaning technology
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 종류 제조방법 PART III. 박막태양전지 CuInGaSe 2 2 Thin-film glass Flexible steel foil, PI films High Production cost Low 20% efficiency 10% Co-evaporation Sputtering & selenization Electro-deposition Nano-particles In-line or batch Roll-to-roll 효율높음 : 20% 대면적양산화어려움
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 구조 PART III. 박막태양전지
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 광변환효율추이 PART III. 박막태양전지
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 개발현황 PART III. 박막태양전지 Organization Device structure Size [cm 2 ] Eff. Output [W p ] NREL CdS/CIGS 0.408 19.5 AGU ZnS(O,OH) x /CIGS 0.5 18.6 Showa Shell Sekiyu K.K. Zn(O,S,OH) x /CIGSS/CIGS 3456 13.6 47.0 Showa Shell Sekiyu K.K. Zn(O,S,OH) x /CIGSS/CIGS 3459 13.4 (30cmx30cm connected in parallel) 46.5 Shell Solar Gmbh CdS/CIGSS 4938 13.1 64.8 Wurth Solar CdS/CIGS 6500 13.0 77.0 Shell Solar Industries CdS/CIGSS 3623 12.8 46.5 Wurth Solar CdS/CIGS 5932 12.5 74.0
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 개발현황 PART III. 박막태양전지 Organization Device structure Size [cm 2 ] Efficiency [%] Output [W p ] Showa Shell Zn(O,S,OH) x /CIGSS/CIGS 3456 13.6 47.0 Showa Shell Zn(O,S,OH) x /CIGSS/CIGS 3459 13.4 (4 1-ft 2 connected in p arallel) Shell Solar Gm bh Wuerth Solar G mbh Shell Solar Indu stries 46.5 CdS/CIGSS 4938 13.1 64.8 CdS/CIGS 6500 13.0 77.0 CdS/CIGSS 3623 12.8 46.5 First Solar CdS/CdTe 6612 10.1 67.1 Kaneka a-si/thin-film Poly-Si Tand em 3738 12.0 (Estimated stabilized) 40 (Estimated) United Solar a-si/a-sige/a-sige Triple 4519 7.9 (Stabilized) 35.7 United Solar a-si/a-sige/a-sige Triple 9276 7.6 (Stabilized) 70.8 Global Solar CdS/CIGS/Stainless Steel (Roll-to-Roll) 7714 7.3 56.8 Antec Solar CdS/CdTe 6633 7.0 46.7 EPV a-si/a-si Tandem 7432 5.7 (Stabilized) 42.3
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 제조방법 PART III. 박막태양전지 Coevaporation = Wuerth Solar Ga more than 30 at% Uniform or Graded Band-gap structure Effi.: 13% Selenization/ Sulfurization = Showa Shell Sekiyu Metal Precursor Deposition Step (DC Magnetron Sputtering) Cu-Ga Alloy In Substrate Moving Direction Stocker Selenization/Sulfurization Step (Reaction Furnace) Change the reaction gas from H 2 Se to H 2 S Heater Ga less than 30 at% S is incorporated into the CIGS absorber Graded or Double-graded Band-gap structure Effi.: 13.4%
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 제조방법 ( 모듈 ) PART III. 박막태양전지
3-5. CIGS 박막태양전지기술 : 제조방법 (non-vacuum) PART III. 박막태양전지 Nanosolar Company at USA -World record large area efficiency(6.8%) of CIGS nanoparticels based solar cells - June 2006: Nanosolar secures $100,000,000 from a global group of top investors, which turns out to be the largest greentech financing in 2006. Nanosolar commences with its plans to build a 430MW solar cell factory. - January 2007: Nanosolar secures 647,000 sqft of space for manufacturing(e:14.6%.) CIGS oxide nanoparticles CNN Al foil substrate
3-6. CdTe 박막태양전지기술 : 구조 PART III. 박막태양전지
3-6. CdTe 박막태양전지기술 : 개발현황 PART III. 박막태양전지 소면적셀 Area (cm 2 ) V oc (V) J sc (ma/cm 2 ) FF (%) Efficiency (%) NREL 1.03 0.845 25.9 75.51 16.5 IEC - 0.840 24.4 65.0 13.3 U. of Toledo 0.16 0.814 23.56 73.25 14.0 대면적양산모듈 Company Device Area (cm 2 ) Efficiency (%) Power (W) First Solar CdTe 6,623 10.2 67.5 Antec Solar CdTe 6,633 7.3 52.3 자료 : KIER 안세진박사
3-6. CdTe 박막태양전지기술 : CdTe 박막증착방법 PART III. 박막태양전지
3-6. CdTe 박막 태양전지 기술 : CdTe 박막 증착방법 제 8회 표준(연) 측정클럽 종합 워크숍 2009년 5월 22일, 14:00~14:45, 표준연구원 PART III. 박막 태양전지
3-7. 상용화현황 PART III. 박막태양전지 Top Industry Players in the CdTe Category Production cost ~ US$ 0.98/W in 4Q/2008 module efficiency ~ 10.8% Target : US$ ~ 0.65/W in 2012 Source : PV International 3 rd Edition, 2009 www.firstsolar.com
3-7. 상용화현황 PART III. 박막태양전지
3-7. 상용화현황
3-7. 상용화현황
3-7. 상용화현황 PART III. 박막태양전지
3-7. 상용화현황 PART III. 박막태양전지
3-8. 향후전망 PART III. 박막태양전지
3-8. 향후전망 PART III. 박막태양전지
3-8. 향후전망 PART III. 박막태양전지
3-8. 향후전망 PART III. 박막태양전지
결론 태양광발전 : 에너지, 환경, 산업의핵심키워드 태양전지 : 태양광발전시스템의성능및가격결정 태양광발전시장 : 정부주도의보급프로그램에의해형성향후안정적시장형성장애요인최근공급과잉현상 (blue ocean red ocean) 향후과제 : 태양광발전의경제성확보 핵심과제 : 태양전지제조원가획기적절감 ( 효율, 제조원가 ) 1 세대 ( 결정질실리콘 ) : 원재료비용절감, 태양전지고효율화, 생산공정단순화 2 세대 ( 박막태양전지 ) : 효율향상, 양산장비성능개선, 생산용량증대 3 세대 ( 염료, 나노, 양자점등 ) : 효율향상, 신뢰성확보, 양산화기술개발