태양에너지를이용한차세대저가 고효율태양전지기술 http://dx.doi.org/10.5757/vacmac.3.2.4 정채환 The Next Generation Photovoltaic Technology for Cost-Effective and High Efficiency Chaehwan Jeong Photovoltaic technology has been intensively developed as one of the most powerful renewable energies, replacing a fossil fuel such as coal and petroleum. Every country in the world has emphasized on development of photovoltaic technology and our government has invested heavily in low cost and high efficiency. Korea institute of industrial technology (KITECH) has lastingly constructed PV R&D infra for development of cost-effective and high efficiency solar cells as well as support of commercialization in PV's small and medium enterprises. In this paper, we introduce the next generation PV R&D and infra in KITECH. 1. 서론 화석연료기반한생활로발생되는이산화탄소사용량 의증가로지구온난화에대한피해가전세계적으로증대 되고있으며, 이는개별국가적인문제가아닌전세계가 동시에환경및자원문제에대하여근본적인해결책을 간구해야하는빅이슈로떠오르고있는핵심해결사항이 다. 신재생에너지원중무한청정에너지원으로서태양을 이용한여러가지기술중태양에서나오는빛을전기로 바꾸는태양광 ( 태양전지 ) 에대한연구개발과제품생산 이전세계적으로확대되고있다. 1956 년에고순도단결 정실리콘제조방법이개발되어 Bell 연구소에서최초 로 4% 효율의단결정실리콘태양전지를만들었고 1960 년대미국과러시아 ( 구소련 ) 가우주개발경쟁을하면서태양전지는인공위성의전원장치의중요핵심소자로써많은연구가이루어졌다. 그후다소둔화되다가 1970 년대후반오일쇼크등에너지위기에직면하면서지상용전력으로본격적으로도입이시도되면서, 1980년대에는단결정실리콘태양전지제조기술의급격한발전으로광변환효율이 20% 에이르렀으며, 실리콘기판을이용한초고효율구조에서 25.6% 의효율을달성하고있다 [1]. 실리콘을이용한태양전지뿐아니라, 유리기판, 금속기판또는플라스틱기판위에박막형태로태양전지를구현할수있는구조가소개되면서, CuInGaSe 2 (CIGS), CdTe, 유기, 염료감응형및 Perovskite 등다양한태양광흡수층소재가개발되어오고있다. 점진적으로저가 고효율화를위해기존실리콘계중심에서비실리콘계의흡수층소재로의전개가이뤄지고있으며, 최근에는태양광스펙트럼의최대활용을위해이중접합 (tandem) 형구조가소개되어 40.6% 이상의효율을달성이가능하다는연구결과값이발표되기도했다 [2]. 여러가지의범주의차세대저가 고효율태양전지가있지만, 본논문에서는한국생산기술연구원에서지금까지직접적으로수행하였던태양전지에대한연구개발결과와장비 / 인력현황을소개하고자한다. 2. 태양광연구개발 2.1 나노구조태양전지 < 저자약력 > 정채환수석연구원은 2008 년동경농공대학전자공학과에서공학박사를받았으며, 현재한국생산기술연구원광에너지융합그룹에서수석연구원으로재직중이며태양광 R&D 센터의센터장을역임하고있다. (chjeong@kitech.re.kr) 4
태양에너지를이용한차세대저가 고효율태양전지기술 [Fig. 1] Several advantages by patterning nano- and micro-size in silicon wafer. [Fig. 2] several kinds of nano-structure solar cells 차세대실리콘태양전지제조공정으로서나노구조를이용한저가 고효율태양전지개발이라는주제로 1단계 (2012~2015) 를수행하였고, 현재 OCI 주관으로 2단계 (2015~2017) 를한국생산기술연구원, 성균관대학교, 연세대학교, DCT, 에스디엔등이참여하여진행하고있다. 이장에서는 1단계에서수행되었던주요성과과내용을소개하고자한다. 나노또는마이크로구조화를통해실리콘표면을얻는장점으로는, 나노구조의경우 antireflection 효과를통하여기존텍스쳐공정 ( 평균반사도 10%) 대비 5% 내외로반사도를줄여입사되는광을효율적으로활용할수있다는점이다. 마이크로구조의경우반사도는텍스쳐공정보다는높지만, 캐리어의이동경로를짧게하여캐리어의재결합율을감소시킴으로써높은전류밀도를얻을수있는 radial junction 효과가있다. 주기적으로나노 / 마이크로공정을구현하는것도중요하지만, 도핑, 패시베이션, 전극공정등나노구조에적용가능한후공정개발역시매우중요하다. 일반적인공정을적용했을경우나노 / 마이크로의장점을얻을수없기때문에후공정에대한다양한연구개발이시도되었다. 현재나노구조라고분류할수있는것은 black silicon, tapered 나노와이어, Periodic 나노와이어, 더블텍스쳐, 나노피라미드, CNMWs(Co-integrated Nano- and Micro- wires) 등이있다. 다양한나노구조태양전지를시뮬레이션하고직접제조함으로써상용화가능성이높은후보군을도출하고, 2 단계기업주관의상용화과제에직접적인연계가가능한목표를달성하는것이본과제의역할로인지될수있다. [Fig. 3] Nano-structured solar cell efficiency map achieved in KITECH 결론적으로최고로구현된나노구조태양전지의효율은 19.7% (solar grade, 10.24cm2 ) 으로상용화가능성을제시할수있다. Tapered CNMWs의경우는 12.7%, Raidal MWs의경우는세계최초로 PR free 공정을이용하여 18.32%, 박막나노구조태양전지에서 FTO glass를이용하여 11.58%, 나노구조 Tandem형에서는 14.31% 의효율을각각얻을수있었다 [3]. 2단계로진행되고있는현프로젝트에서는 6인치급대면적에서나노 / 마이크로구조를적용하여 20% 이상의고효율화를구현하는것으로목표가설정되어있으며, p type과 n type 6인치웨이퍼에공통으로적용가능한공정개발을목표로하고있다. 특집 _ 5
[Fig. 4] Pictures of the international cooperative R&D for silicon thin film solar cells. 2.2 나노텍스쳐플라즈모닉기판을이용한 Si 박막태양전지 실리콘박막태양전지의고효율화요소공정개발을위하여중국의 CAS(Chinese Academic Science) 상하이분원인 SARI(Shaghai Advanced Research Institute) 의 Chen 교수팀과 1년여간국제공동연구를수행하였고, 지속적으로교류하고있다. Chen 교수팀에는 8명의박사급연구원과 14명이상의연구원이태양전지연구개발에집중하고있으며, 실리콘벌크와박막쪽에집중적으로연구결과를도출하고있다. 비정질실리콘박막태양전지의효율성과활용도를높이기위하여 flexible 기판상여러가지고효율화인자중, 나노구조패턴과금속나노입자를이용한플라즈모닉현상을이용하면지속가능성을확인할수있다고판단되었으며, 그림 5와같은구조로셀을구현하였다. 기판과소자와의전기적, 구조적매칭을위하여 AZO 박막두께를가변함으로써어떠한특성이나오는지를비교해보았으며, 각각에대한단면 / 표면의 SEM 이미지와이에따른태양전지의효율변화가그림 6에있다. 두께가증가함에따라 Jsc가증가하나 200 nm 일경우에는감소하는경향을보이며, 100 nm 두께에서약 6.36% 의효율을갖는태양전지가구현될수있었다 [4]. [Fig. 5] Structure of plasmonic silicon thin film solar cells on flexible Al substrate. [Fig. 6] SEM images and LIV performance of solar cells with a variation of AZO thickness. 태양광의입사되는빛의각도의변화에따른플렉서블실리콘태양전지의효율변화를살펴보기위하여그림 7 에서보는것과같은장치를이용하여효율변화를살펴보았을때텍스쳐된표면구조에의해서입사각이증가된다고하더라도변환효율은초기효율대비 60.7% 수준에서남아있었다. AZO의두께에따른표면형상제어를통해광학적, 전기적특성이구현될수있으며, Ag 금속영역에서의광흡수손실이 AZO 박막을적용함으로써감소됨을알수있으며, 이를통하여 Ag에의한플라즈모닉효과도또한향상될수있음을알수있다. 이러한현상을이용하여현재태양전지소자뿐만아니라광센서등광전소자에요소기술을적용함으로써향상된효과를얻을수있을것이라고예측된다. 6
태양에너지를이용한차세대저가 고효율태양전지기술 [Fig. 7] Changes of conversion efficiency in bending angle. 2.3 CIGS 박막태양전지 여러가지응용분야를대상으로유리기판, stainless steel, polyimide 등을이용하여, 고효율 CIGS 박막태양전지에대한제조공정을연구해오고있다. 특히유리기판의고효율화공정조건 ( 현재약 18% 효율확보 ) 을기반으로 flexible 기판을이용한태양전지제조공정기술을연구하고있으며, 대표적인몇가지실적을보여주고자한다. 그림 13은 flexible CIGS 박막태양전지제조공정을보여주고있는데, CIGS 흡수층을제조하는데사용되는공정은 NREL에서개발된 3 stage process를이용하고있다. 기존 3 stage를미세튜닝을통하여 I/III 조성비제어를수행하였고, stoichiometric composition을맞추기위하여노력하였다. I/III 조성비의변화에따른태양전지의효율등 parameter값변화을나타내고있는데, 정확한조성비 ( 약 0.95) 근처에서현재가장높은효율로서 17.8% 이구현됨을확인할수있었으며, (220/204) 우선배향된 CIGS 흡수층박막이제조되었음을확인하였다. 이러한 [Fig. 9] Changes of conversion efficiency in a various of substrate type. 공정조건을바탕으로 sodium이없는 corining 유리기판, stainless steel과 polyimed 기판위에태양전지를제조구현하였는데, 그림 14에서보는것처럼알카리원소가부족함에따라효율이약 4% 감소, Stainless steel 기판의 Cr, Ni 등 defect의확산에의해추가적으로약 3% 감소, 고온공정상기판의 damage로인해추가적으로 1% 의효율감소가일어나고있음을확인하였고, 이를개선하기위한자작업을진행중에있다. 먼저, Cr, Ni 등불순물의확산방지를위해기존사용되었던두꺼운 SiO 2 ( 약 1~2 μm) 대신 intrinsic-zno 층을 50~200 nm 로가변하면서 diffusion barrier 층의역할을가질수있는지를확인하였다. 그림 11에서보는것처럼, intrinsic ZnO를사용함으로써모든두께조건에서효율이사용하지않는조건보다약 3% 이상이상승함을알수있으며, 기존의두꺼운 SiO 2 층대신매우얇으면서 CIGS 공정에원래사용되는스퍼터링화 ZnO 박막을이용하여확산방지막을형성할수있다는실험결과를얻을수있었다 [5-6]. 또한, 폴리이미드 (PI) 기판의높은공정온도에의한 [Fig. 8] Process flow of flexible CIGS thin film solar cells. [Fig. 10] Structure of flexible solar cells and SEM images with a variation of intrinsic ZnO thickness as diffusion barriers. 특집 _ 7
[Fig. 13] The whole view of solar city center and PV R&D center in KITECH. [Fig. 11] LIV performances and external quantum efficiencies of flexible CIGS thin film solar cells with a variation of intrinsic ZnO thickness. damage를줄이기위해 400도이하의저온공정을적용하는공정과기판이 roll-over 되지않도록잘지지할수있는기판홀더설계및제작을통해 13% 의높은효율을얻을수있었다. 현재 Na, K 같은알카리원소를첨가하기위한 evaporation 장비 setup이완료되었고, 금년하반기에알카리원소첨가를통한 Voc 향상을통해더높은 flexible CIGS 박막태양전지가구현될것으로예측되고있다. 3. 한국생산기술연구원의태양광연구개발현황지속발전가능한신재생에너지산업육성을위해한국생산기술연구원은 2008년부터지속적인연구인프라를구축해왔다. 2008년한국생산기술연구원약 1,650m2의 [Fig. 12] LIV performance and QE of low-temperature flexible solar cells on polyimide substrate. 전용공간으로솔라시티센터를개소하여태양광, 이차전지및연료전지의연구개발및기업지원업무를본격적으로시작하게되었으며, 2012년에태양광분야에좀더집중하기위하여 868m2의전용공간을별도로구축하여태양광 R&D센터를개소하게되었다. 솔라시티센터와태양광 R&D센터는신재생에너지관련중소기업의연구개발및기업지원지원에집중하여, 중소기업을글로벌핵심중견기업으로육성하기위해약 100 여명의산학연관전문가들과네트워킹을구축하고신규신재생에너지분야의고부가가치및고효율지향연구개발사업을기획하고있으며, 다양한형태의육성지원프로그램을개발하고있다. 태양광, 연료전지및이차전지중심으로약 100여종의장비및설비인프라를구축하였고, 태양광분야는저가 고효율실리콘계태양전지, flexible CIGS 박막태양전지등소재 / 소자분야와, 최근태양전지를이용하여, 생활밀착형전원개발, CCU (Carbon Captured Utilization) 등다양한응용분야에대한연구개발을진행하고있다. 또한차세대고용량리튬이차전지전극소재, 분리막제조공정과고체산화물연료전지의셀소재합성및단위셀제조기술등에대한연구개발도진행되고있으며, 최근지열 / 폐열을이용한에너지원활용기술에도연구를진행하고있다. 산업원천핵심소재 / 부품에대한제조공정과고품위평가분석기술확보를주력으로하여산업계에서단기간과중장기적으로활용될수있는응용분야를발전로드맵을선정하여사업진행을하고있으며, 급변하는환경에효율적인대처와산학연간기술 / 사업등정보커뮤니티활성화을위해센터의개방화및공동협력을통해중소 중견기업의경쟁력을향상시키는허브역할을최종목표로하고있다. 최근 5년간약 100여건의특허확보, 60편이상의 SCI 논문과더불어핵심원천제조공정기술확보에의한기술이 8
태양에너지를이용한차세대저가 고효율태양전지기술 [Fig. 14] The organization's current state and role of new and renewable energy specialist in KITECH. [Fig. 15] Picture of a constructed facility and equipment in KITECH 전및상용화기술개발이활성화되고있는추세이다. 센터에구축된장비는주로공용성의평가분석장비, 태양광, 연료전지및이차전지관련전문제조공정및평가분석장비로분류되어, 솔라시티센터, 태양광 R&D센터와산학연이유기적이며효율적으로구축인프라를활용할수있도록운영되고있다. 즉, 공용성이요구되는소재분야의특성평가장비로는 FE-SEM, HR-XRD, ICP-Mass, FT-IR, Hall effect measurement system, BET 등구조적, 전기적, 열적, 기계적특성을평가할수있는대표적인장비가구축되어다수의산학연이활용하고있다. 태양광분야는크게기업지원용인프라와산업원천기술개발을위한인프라로분류될수있는데, 기업지원용인프라의경우, 실제산업현장에서사용되는대면적모듈에대한특성평가장비중심으로구축되어있으며, 대표적인장비로는대면적 solar simulator ( 벌크, 박막 ), Light Soaking system, LED 솔라시뮬레이터등이있으며솔라시티센터에집적화되어있다. 태양광 R&D 센터에는분광응답측정시스템, DLTS, GD-OES, Kelvin Probe, PCD 등다수의분석장비 30여종이구축되어있다. [Fig. 16] The representative equipments for characterization and analysis 태양전지를제조할수있는장비로는 Wet station, 도핑퍼니스, PECVD, 스크린프린팅및 Firing furnace 등단결정 / 다결정실리콘태양전지제조장비가 batch 형으로구축되어있으며실리콘박막을제조할수있는 clustered PECVD system (PECVD 2대, Sputter 1대, ALD 1대 ) 이있다. CIGS 박막태양전지제조를할수있는장비로는 2 step process ( 스퍼터링 + 셀렌화 / 설퍼화 ) 구현이가능한스퍼터링장비 (Mo용 DC sputter, CIGS 흡수층제조용 DC& RF co-sputter, ZnO 제조용 RF 스퍼터 ) 와 RTP 등이구축되어있으며, 주로유리기판을이용한 CIGS 태양전지제조에활용되고있다. 최근에는 flexible CIGS 박막태양전지에집중하기위하여, co-evaporation 장치를도입하여만족할만한결과를도출하고있다. 특집 _ 9
[Fig. 18] Tandem solar cells based on hetero-junction. [Fig. 17] Process equipments of solar cells in KITECH 이밖에고체산화물연료전지를개발하기위한화학적합성장치, 전극제조용테이프캐스팅, 소성로, 조립장비및리튬이차전지용전극 / 분리막소재개발을위한드라이룸등이솔라시티센터내에구축되어있다. 센터내연구진으로서태양광분야는정채환박사, 김태원박사, 부성재박사, 김정철박사, 최범호박사, 이종호박사 ( 본부장 ), 김영백박사, 김재웅박사, 지홍섭박사등이있으며, 박사과정 8명과석사과정 12명등이함께연구를수행하고있다. 또한이차전지 / 연료전지분야로는김호성박사, 장덕례박사, 임진섭박사와지열분야로는김영원박사가신재생에너지기업지원및연구개발에참여하고있다. 4. 맺음말지금까지는태양전지요소공정및고효율화등에집중하여효율상승쪽에주력해왔다면, 향후에는태양전지가응용될수있는여러가지분야에직접적으로적용하여, 제품화를이룰수있는시스템응용분야로확대발전할계획을가지고있다. 그림 18에서보는것과같이, 기존효율한계극복을위하여, 다양한 tandem 구조를설계하여실험진행을통한사업화를모색하고있다. 특히이종접합개념의비정질실리콘박막과 CIGS를접합하는구조와페로브스카이트와 p형실리콘벌크태양전지를접합하는것은국내뿐아니라세계최초로시도되는구조로서현재실험을진행중에있다. 또한, 제품화의대상으로는 BIPV, TIPV 등초경량유 [Fig. 19] Various of application for PV product. 연성제품과, Curatin Wall 등생활밀착형전원등이있 으며, 최근이슈가되고있는 CCU 에활용되는 PV-EC 연계시스템에직접적으로활용이가능한스펙으로접근 을연구개발을시도하고있다. 향후 3 년이내태양광제품 을이용한성공적인제품개발을목표로새로운도약을준 비하고있다. References [1] M. A. Green, K. Emergy, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, Prog. in Photovolt. 23, 1 (2015). [2] I. Almansouri, A. Ho-Baillie, and M. Green, Jap. J. Appl. Phy. 54, 08KD04-1 (2015). [3] C. Kim, J. Lee, S. Lim, and C. Jeong, Sol. Energy 116, 265 (2015). [4] H. Xiao, J. Wang, H. Huang, L. Lu, Q. Lin, Z. Fan, X. Chen, C. Jeong, X. Zhu, and D. Li, Nano Energy 11, 78 (2015). [5] C. Kim, H. J. Kim, J. H. Kim, and C. Jeong, J. Nanosci. Nanotech. 16, 5124 (2016). [6] H. J. Kim, C. Kim, D. Y. Jung, and C. Jeong, J. Nanosci. Nanotech. 16, 5114 (2016). 10