차세대 태양전지 ‘다양한 유기물과 태양전지 구조’ 개발 활발

글: 신동협 / 한국과학기술원 나노계면센터
자료협약 및 제공: KOSEN(한민족과학기술자 네트워크) / www.kosen21.org

PVSEC란

PVSEC(Photovoltaic Science and Engineering Conference)는 매년 미국, 유럽, 그리고 아시아 3개 지역에서 개최되는 국제 태양전지 학술대회이다. 미국에서는 IEEE Photovoltaic Specialists Conference로 개최되고, 유럽에서는 European Photovoltaic Solar Energy Conference and Ex hibition로 개최되고, 아시아에서는 International Photovoltaic Science and Engineering Confere nce로 개최된다.

그리고 3대 국제 태양전지 학술대회가 연합하여 3년에 한 번씩 World Confer ence on Photovoltaic Energy Conversion로 개최된다. PVSEC은 태양광을 이용하는 각 세대별 태양전지의 최신 연구 결과와 동향을 다룬다. 그래서 1세대 태양전지인 결정질 실리콘 태양전지, 2세대 태양전지인 박막 태양전지, 그리고 3세대 태양전지인 유기 및 신개념 태양전지의 최신 연구 동향에 대한 결과 발표와 토론이 이루어진다.

또한 전 세계 다양한 태양전지 제조사들이 만든 시제품과 태양전지의 제조와 관련된 소재, 장비 등도 함께 전시된다. 이와 더불어 태양전지와 관련된 제조 기술 및 제품의 거래도 활발히 이루어진다.

PVSEC-23은 아시아가 주축이 되어 열리는 23번째 국제 태양전지 학술대회로, 2013년 10월 28일에서 11월 1일까지 대만 타이페이 국제 컨벤션 센터에서 개최되었다. 이번 학술대회는 크게 초청 연사를 포함한 구두 및 포스터 발표와 태양전지 소재, 시제품, 제조 장치 등의 전시회로 구성되었다. 초청 연사에는 1세대 결정질 실리콘 태양전지의 권위자인 UNSW(University of New South Wales) 대학의 Martin A. Green 교수, 2세대 화합물 반도체 박막 태양전지의 권위자인 IBM의 David B. MiZi 박사, 3세대 유기 태양전지의 권위자인 UCLA 대학의 Yang Yang 교수, 3세대 염료 감응형 태양전지(Dye sensitized solar cells)의 권위자인 Michael Gratzel 교수(스위스 로잔 연방공대) 등이 각 세대별 태양전지의 최신 연구 결과와 연구 동향에 대해 발표를 하였다.

그리고 세계적인 태양전지 제조사인 Motech, TSMC solar, Solar Frontier, Manz, Dupont 등도 최신 연구개발 결과 및 동향에 대해 발표를 하였다.

이 학술대회에서는 500편 이상의 연구 논문이 발표되었고, 그중 절반 이상이 일본, 한국, 미국, 독일 등의 다양한 대학, 연구 기관, 제조사에서 발표되었다. 따라서 이번 학술대회는 최신 태양전지의 연구 결과를 서로 공유하고, 새로운 아이디어와 경험을 나누며 토론할 수 있는 장소가 되었다.

1세대 태양전지 연구 개발 동향

초청 강연

- Silicon solar cells: What does the future hold? (By Martin A. Green, University of New South Wales)

1세대 태양전지는 실리콘 웨이퍼를 이용하여 p/n 접합을 만드는 결정질 실리콘 태양전지를 의미한다. Martin A. Green 교수는 지난 20년간 결정질 실리콘 태양전지에서 발생되는 효율의 손실 요인을 최소화시키는 PERL(passivated emitter rear locally-diffused) 태양전지 구조를 개발하였다.

그리고 PERL 결정질 실리콘 태양전지에서 24% 이상의 에너지 변환 효율을 달성하였다. 그 이후 결정질 실리콘 태양전지의 효율은 더 이상 개선되지 않았다. 이번 발표에서 Martin A. Green 교수는 더 높은 효율을 달성하기 위한 방법으로 결정질 실리콘 태양전지 위에 지금까지 개발된 다양한 태양전지를 적층하는 것을 제안하였다.

적층된 태양전지는 단일 태양전지보다 태양광을 더욱 효율적으로 사용할 수 있기 때문에 태양전지의 효율을 상승시킬 수 있을 것이다. 이를 위한 구체적인 방법으로 결정질 실리콘 태양전지 위에 Cu2(Zn,Sn)S4 화합물 박막 태양전지 혹은 염료 감응형 태양전지를 적층함으로써 결정질 실리콘 태양전지의 효율을 25% 이상 달성할 수 있을 것으로 전망하였다. 이론적으로는 2개의 태양전지를 적층할 경우 42.5%, 3개의 태양전지를 적층할 경우 47.5%의 효율이 가능하다고 제시하였다.

태양전지의 효율 증가와 더불어 태양전지 제조 가격을 낮추는 것도 매우 중요하다. 결정질 실리콘 태양전지의 제조 가격은 매년 감소하고 있으며, 몇몇 태양전지 제조사에서는 올해 와트당 0.5달러 수준까지 접근하였다고 발표하였다.

와트당 0.5달러의 태양전지 제조 가격은 현재 2세대 태양전지인 CdTe 박막 태양전지의 제조 가격보다 낮은 수준이다. 현재 태양전지 제조사들의 태양전지 제조 가격 경쟁은 매우 치열한 상황이다.

이런 1세대 결정질 실리콘 태양전지의 급격한 제조 가격 감소에 의해 2세대 박막 태양전지 점유율은 21%에서 매년 감소하고 있다.

1세대 결정질 실리콘 태양전지 제조사들은 제조 비용을 더욱 절감하기 위해서 현재 실리콘 잉곳과 웨이퍼의 크기를 계속 증가시키고 있고, 2020년에는 실리콘 잉곳의 크기가 1000kg까지 확대될 것으로 전망하였다.

구두 발표

- 24.6% Efficient back contact cell with ox ide and nitride passivation (By Andrew Blakers et. al., Australian National Univer sity)

후면 전극(Back contact) 태양전지는 금속 전극에 의해 빛이 가려지는 것을 막기 위해서 금속 전극을 모두 후면에 위치시키는 태양전지를 의미한다.

그러므로 후면 전극 태양전지에서는 태양전지 후면으로 전자와 홀들이 재결합 없이 이동되어야 한다. 이런 조건을 만족시키기 위해서는 태양전지의 표면에서 전자와 홀이 재결합되지 않게 하는 패시베이션(passivation) 공정이 필요하다.

오스트레일리아 국립대 Andrew Blakers 박사는 n형 실리콘 웨이퍼 위에 PECVD(plasma enhanced chemical vapor deposition) 장치를 이용해서 질화 실리콘 박막을 증착하였다. 이렇게 질화 실리콘으로 표면 패시베이션 처리된 후면 전극 태양전지는 4cm2에서 24.6%의 고효율을 보였다.

그리고 시뮬레이션으로 모든 효율 손실 요인을 최소화한 결과가 24.5%인 것과 비교하였을 때, 표면 패시베이션 공정이 후면 전극 태양전지 효율에서 매우 중요한 기술임을 알 수 있었다.

- Development of hetero-junction back contact Si solar cells toward the convers
   ion efficiency of 25% (By Junichi Nakamura et. al., Sharp Corp.)


샤프사의 Junichi Nakamura 박사는 후면 전극 태양전지의 표면을 패시베이션 처리하기 위해서 수소화된 비정질 실리콘 박막(a-Si:H)을 PECVD 장치를 이용해서 증착하였다.

아울러 태양전지 후면에도 PECVD 장치를 이용해서 a-Si:H(i)/a-Si:H(p)의 p-i-n 접합 구조를 만들었다. 그 결과 결정질 실리콘과 수소화된 비정질 실리콘 사이의 재결합이 최소화되어 태양전지의 개방 전압이 730mV까지 상승하였다. 이로 인해 후면 전극 태양전지는 24.7%의 아주 높은 효율을 달성하였다.

- 24.7% notably high efficiency HIT solar cell (By Satoshi Tohoda et. al., Sanyo Electric Co. Ltd.)

2012년에 태양전지 모듈의 수요는 24GW이었지만, 공급은 35GW로 과잉 공급되었다. 그 결과, 태양전지의 모듈 가격은 급격하게 하락하였다. 이런 치열한 경쟁 속에서 결정질 태양전지 제조사들은 이와 같은 경쟁속에서 살아남기 위하여 태양전지의 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 기술을 끊임없이 연구개발하고 있다.

산요사에서는 HIT(heterojunction with an intrinsic thin-layer)라는 새로운 결정질 태양전지 구조를 개발하였는데, HIT 태양전지는 초기에 20% 이상의 아주 높은 효율을 보임으로써 많은 각광을 받았다. 그리고 2008년에서는 실리콘 웨이퍼의 두께를 200μm에서 100μm로 줄였음에도 태양전지의 효율은 21% 이상을 보였다.

이후 꾸준한 연구 결과, 2013년에는 일본 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology(AIST) 연구소에 의해 24.7%로 HIT 태양전지의 세계 최고 효율을 경신하였다. HIT 태양전지에서도 n형 실리콘 웨이퍼 양면에 비정질 실리콘 박막이 증착되기 때문에 결정질 실리콘 표면을 패시베이션 처리하게 되면서 전자와 홀의 재결합이 감소하게 된다.

산요사의 Santoshi Tohoda 박사에 따르면 HIT 태양전지의 표면 재결합 속도는 2009년 4cm/s에서 2011년 2cm/s, 2013년 ~1.5cm/s까지 꾸준히 감소하였다고 한다. 이로 인해 태양전지의 개방 전압과 충실도(fill factor)가 각각 0.75V, 83.2까지 증가하였다.

HIT 태양전지는 25%에 이르는 아주 높은 효율과 100μm의 얇은 실리콘 웨이퍼 두께로 인한 실리콘 소재의 사용량 감소의 장점이 있지만, 결정질 실리콘 양면에 비정질 실리콘 박막을 성장시켜야 하는 복잡한 공정 때문에 아직까지는 HIT 태양전지의 제조 비용이 높다. 하지만 향후 공정 비용이 절감될 경우 기대되는 태양전지이다.

- International Technology Roadmap for PV (ITRPV) (By Stephan Raithel, SEMI Europe/Germany)

향후 태양전지 산업체는 기존의 화석연료에 의한 발전과 경쟁할 수 있는 태양전지를 제조할 수 있어야 한다. 이는 태양전지의 제조 비용이 더욱 감소되어야 한다는 것을 의미한다. 이를 위해서 많은 태양전지 제조사들은 제조 기술과 제조 가격을 공유하며 International Technology Roadmap for PV(ITRPV)란 기술 로드맵을 만들어 태양전지 제조 공정의 방향을 예측하면서 태양전지의 제조 가격 현황과 전망에 대한 가이드라인을 제시하고 있다.

ITRPV의 자료에 따르면, 2010년 1월부터 2013년 2월까지 폴리실리콘의 가격은 지속적으로 하락하였다. 이 기간 동안 폴리실리콘의 공급량 증가로 인해 가격이 감소하기도 하였지만, Siemens 공정 등의 새로운 폴리실리콘 제조 기술이 도입되면서 폴리실리콘 제조 가격은 더욱 급격하게 감소하게 되었다. 실제로 폴리실리콘 가격은 kg당 70달러에서 17달러까지 떨어졌다.

이런 지속적인 폴리실리콘 가격 하락으로 인해 결정질 실리콘 태양전지의 가격 또한 감소하였다. 2010년 1월경에는 실리콘 소재가 결정질 실리콘 태양전지 가격의 절반 이상을 차지하였다. 하지만 2013년 2월에는 태양전지 제조 가격에서 실리콘 소재가 차지하는 비율이 16% 이상으로 감소하였다. 이는 결정질 실리콘 태양전지의 소재 의존성이 점점 줄어들고 있음을 의미한다. 따라서 앞으로 결정질 실리콘 태양전지의 제조 가격을 줄이기 위해서는 태양전지의 모듈화 공정을 더욱 개선하여야 할 것이다.

- 20 Micron tin, slicon slar cll on seel (By Allen Barnett, University of New South Wales)

결정질 실리콘 태양전지의 실리콘 웨이퍼 두께를 감소시키면 실리콘 소재의 사용량 감소로 태양전지의 제조 가격을 낮출 수 있다. 더욱이 얇은 실리콘 웨이퍼에서는 벌크에서 전자와 홀의 재결합될 가능성이 감소하여 태양전지의 개방 전압도 증가할 수 있다.

UNSW 대학의 Allen Barnett 박사는 20μm의 얇은 실리콘 웨이퍼를 사용한 결정질 실리콘 태양전지에 관하여 발표하였다. 일반적으로 20μm 이하의 초박막 실리콘 웨이퍼는 외부 충격에 매우 약하기 때문에 쉽게 깨어지는 단점이 있다.

이를 위하여 Allen Barnett 박사는 얇은 실리콘 웨이퍼 한쪽 면에 200μm 두께의 스틸 기판을 붙이는 구조를 고안하였고, 이 스틸 기판을 후면 금속 전극으로 활용하였다. 그 결과, 결정질 태양전지 제조 공정 시 파손되는 문제점이 해결되었다. 무엇보다도 얇은 실리콘 웨이퍼를 이용하여 유연한 태양전지를 구현할 수 있게 되었다. 그리고 20μm의 얇은 실리콘 웨이퍼를 사용하는 결정질 실리콘 태양전지에서 15.8%의 효율을 보였다.

- Development of copper electroplating technique for silicon heterojunction solar cells with efficiency over 23% (By Jay Chng, AU Optronics Corp.)


실리콘 이종 접합(Si heterojunction) 태양전지는 현재 널리 알려진 표면 패시베이션 기술에 의해 매우 높은 태양전지의 개방 전압을 구현하고 있다. AU Optronic사에서는 실리콘 이종 접합 태양전지의 효율을 더욱 높이기 위해서 표면 패시베이션 기술뿐만 아니라, 태양전지의 metallization 기술 개발에 집중하였다. 기존의 대부분 결정질 실리콘 태양전지는 은(Ag) 원소를 전극으로 사용하고 있고, 은 전극은 스크린 프린팅 기법으로 도포되었다. 스크린 프린팅 기법은 저온이면서 간단한 공정이지만, 은 전극을 얇은 선으로 도포하기는 매우 힘든 단점을 가지고 있다. AU Optronic사에서는 비싼 은 대신 구리 원소를 이용하여 전기도금하는 기법을 개발하였다.

실제로 은 전극을 스크린 프린팅할 경우, 삼각형의 형상으로 도포되며 높은 finger 선 저항이 발생하게 된다. 태양전지에서 직렬 저항의 증가는 전류 손실을 유발하게 된다. 이에 반해 구리를 전기도금 기법으로 finger 선을 만들 경우, 직사각형의 형상으로 성장하고 finger 선이 얇아질 경우에도 전류 손실이 발생하지 않았다. AU Optronic사에서는 이런 구리 전극의 전기도금 기법을 이용하여 23% 이상의 높은 효율을 달성하였다.

2세대 태양전지 연구 개발 동향

초청 강연

- Current status and future prospects of earth abundant kesterite photovoltaic technology (By David B. Mitzi, IBM T.J. Watson Research Center)

2세대 태양전지는 두꺼운 실리콘 웨이퍼 대신 얇은 박막을 이용하여 p/n 접합을 만드는 태양전지를 의미한다. 박막 태양전지의 재료에는 대표적으로 비정질 실리콘 박막, Cu(In,Ga) Se2 (CIGS), 그리고 CdTe 물질이 사용된다.

일반적으로 비정질 실리콘 박막 태양전지는 빛에 노출되는 시간에 따라 효율이 열화되는 문제점이 있고, CdTe 박막 태양전지는 환경에 유해한 카드뮴을 상당히 많이 함유하고 있는 단점이 있다. 이에 비해 CIGS 박막 태양전지는 빛 노출에 따른 효율의 열화가 거의 없고, 비교적 환경친화적이다.

따라서 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 박막 태양전지이다. 하지만 CIGS 박막 태양전지는 고가의 인듐, 갈륨 원소를 사용하기 때문에 태양전지의 제조 가격이 높아지는 문제로 인해, 최근에는 범용 원소인 아연, 주석을 사용하는 Kesterite 결정구조의 Cu2(Zn,Sn)S4 (CZTS) 물질이 차세대 박막 태양전지 재료로 부각되고 있다. 그리고 CZTS 박막을 더욱 값싸게 만들기 위한 새로운 제조 기술도 활발히 연구 개발되고 있다.

CZTS 광흡수층 박막의 제조 방법에는 크게 진공법과 비진공법이 있다. 진공법에는 동시 진공증발법(co-evaporation)과 스퍼터링법(sputtering)이 대표적이다. IBM에서는 동시 진공증발법으로 증착한 CZTS 전구체를 열처리하여 만든 CZTS 태양전지로 8.4%의 효율을 달성하였다.

다음으로 비진공법에는 나노 결정 입자(nano-crystal)를 이용하여 CZTS 전구체를 스크린 프린팅하는 방법과 CZTS 전구체 용액 혹은 입자 혼합물을 스핀코팅하는 방법이 대표적이다. IBM의 David A. Mizti 박사는 CZTS 전구체 용액 혹은 입자 혼합물을 스핀코팅하고 열처리하는 방법으로CZTS 태양전지의 10% 효율을 처음으로 달성하였다.

현재는 CZTS 태양전지의 창층(window layer) 물질인 CdS와 ZnO:Al 박막의 투과도 및 전기전도도를 최적화하여서 12.0%의 세계 최고 효율을 구현하고 있다. 하지만 David A. Mizti 박사에 따르면, CZTS 태양전지가 12%의 효율을 보이고 있지만, 여전히 CdS/CZTS 계면에서는 trap 사이트가 많고, 계면의 에너지 장벽이 존재하는 문제점이 있다고 발표하였다.

향후 CZTS의 계면 특성을 개선한다면 태양전지의 개방 전압이 크게 개선될 것으로 전망하였고, 이런 태양전지의 개방 전압 상승을 통해 CZTS 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있을 것으로 전망하였다.

구두 발표

- Progress of thin film solar cells towards > 20% efficiency and low manufacturing cost CIGS & CdTe based PV (By Ayod hya Nath Tiwari, Empa Swiss Federal Laboratories for Material Science and Technology)

CIGS와 CdTe 박막 태양전지의 energy payback time은 1년 이하로 결정질 실리콘 태양전지보다 짧다. CdTe 박막 태양전지의 경우, 미국 First solar사에 의해 성공적으로 태양전지 시장에 진입하였고, 박막 태양전지 중 가장 높은 태양전지 점유율을 가지고 있다.

이에 반해 CIGS 박막 태양전지는 소면적에서 20.8%, 대면적에서는 16.1%로 박막 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이고 있지만, 아직까지 태양전지 시장점유율은 매우 낮은 편이다. 이는 CIGS 태양전지의 제조 공정이 상대적으로 복잡하고 고온 공정이 필요하기 때문이다. 일반적으로 고효율 CIGS 태양전지는 소다라임 유리 기판 위에서, 500℃ 이상의 고온에서 만들어진다.

이와 같은 고온 공정과정에서 소다라임 유리 기판의 원소인 나트륨과 칼륨 원소가 CIGS 박막으로 확산되게 되고, 이런 나트륨 원소의 공급은 CIGS 태양전지의 고효율 달성에 아주 중요한 요소이다. 하지만 유연한 태양전지를 만들기 위해서 유리 기판 대신 폴리머 기판을 사용할 경우, 고온에서 폴리머의 변형이 발생하기 때문에 CIGS 박막 제조를 위한 공정 온도를 450℃ 이하로 낮추어야 한다.

또한 CIGS 박막 태양전지 고효율에 필수적인 나트륨 원소도 외부적으로 공급해주어야 한다. EMPA의 Ayodhaya Nath Tiwari 교수는 유연한 폴리머 기판을 사용하는 CIGS 박막 태양전지를 구현하기 위해서 CIGS 박막 제조의 공정 온도를 450℃ 이하로 낮추었다.

그리고 외부에서 NaF를 이용해서 나트륨 원소를 CIGS 박막에 공급하였다. 그 결과, 폴리머 기판을 이용한 유연성 CIGS 박막 태양전지는 18.7%의 아주 높은 효율을 보였다. 그리고 NaF 뿐만 아니라 KF를 이용해서 칼륨 원소도 CIGS 박막에 공급해준 결과, CIGS 박막 표면의 구리 원소가 감소하고 구리 안티사이트(antisite) 결함인 CdCu가 형성되어 20.4%의 세계 최고 효율을 달성할 수 있었다고 한다. 또한 유연한 폴리머 기판을 이용한 CdTe 박막 태양전지에서도 13.8%의 효율을 달성하였다고 발표하였다.

- The effects of sulfur incorporation on CIS based thin film solar cell: a review (By Tokio Nakada, Tokyo University of Scie nce)

동경과학대학의 Tokio Nakada 교수는 지금까지 개발된 다양한 CIGS 박막 표면의 황화열처리(sulfurization) 공정들에 대해 리뷰하는 발표를 하였다. 황화열처리 공정에는 높은 온도에서 H2S 가스를 이용하거나, In2S 혹은 황 원소를 진공 증발하여 황을 CIGS 박막의 표면에 공급하는 방법이 있다.

그리고 낮은 온도에서 황 이온이 포함된 용액을 이용해서 CIGS 박막 표면에 황 원소를 확산시키는 방법이 있다. 황화열처리 공정은 높은 온도에서 H2S 가스를 이용하는 방법이 보편적인데, 이는 공정의 재현성이 가장 높기 때문이다.

그리고 CIGS 박막 표면을 황화열처리했을 경우 일반적인 효과는 CIGS 박막 표면에 존재하는 결함들이 패시베이션되어서 전하들의 수명을 증가시키고, 에너지밴드갭이 증가하게 된다고 발표하였다. 이러한 효과들에 의해서 CIGS 박막 태양전지의 개방 전압이 증가하게 된다고 발표하였다.

- Impacts of surface sulfurization on high-efficiency CIGS thin film solar cells (By Taizo Kobayashi et. al., Tokyo University of Science)

일반적으로 CIGS 박막의 표면이 황화열처리될 경우 CIGS 박막 태양전지의 개방 전압이 상승한다고 알려져 있다. 동경과학대학의 Taizo Kobayashi 교수는 고품질의 CIGS 박막을 이용해서 표면 황화열처리에 대한 효과를 좀더 구체적으로 살펴보았다.

CIGS 박막을 황화열처리할 경우, CIGS 박막의 미세구조는 황화열처리에 크게 영향받지 않았다. 하지만 CIGS 박막의 가전자대 최고 값(valence band maximum)은 증가하였다. 그리고 황화열처리된 CIGS 박막 태양전지는 온도에 따른 개방 전압의 감소 폭이 상대적으로 작았다.

이런 결과를 바탕으로 황화열처리된 CIGS 박막 태양전지의 개방 전압 상승은 버퍼층/광흡수층의 계면 재결합 감소와 관련된다고 발표하였다. 추가적으로 황화열처리된 CIGS 박막 태양전지는 온도에 따른 rollover 현상도 발생하지 않았다. 그리고 원자층 증착법(atomic lay er deposition)으로 Zn(O,S) 버퍼층을 증착하여 CIGSSe 태양전지의 효율을 18.5% 달성하였다.

- Fabrication of device-quality CIGS thin film with compositional gradient by sputtering from quaternary targets without extra Se supply (By Chia Hao Hsu et. al., National Tsing Hua University)

현재 CIGS 박막 태양전지에서 가장 양산성이 높은 CIGS 박막 제조 방법은 CIGS 전구체 타깃을 이용하는 스퍼터링법이다. 그래서 TSMC solar, Solar Frontier 등의 CIGS 박막 태양전지 제조사들도 CIGS 박막의 전구체를 스퍼터링법으로 증착하고 있다.

일반적으로 스퍼터링법은 비교적 균일한 두께와 조성을 가지는 박막을 대면적으로 증착할 수 있다. 스퍼터링법으로 증착된 박막의 품질은 타깃 물질에 의해 크게 영향을 받는데, 이와 관련하여 중국 청화대학교의 Chia Hao Hsu 박사는 스퍼터링법에 사용될 CIGS 전구체 타깃에 대해 발표를 하였다.

CIGS 박막을 제조하기 위해서 셀레늄이 부족한 4성분계 타깃을 이용하여 CIGS 전구체를 증착하고, Ar 분위기에서 열처리한 결과, CIGS 박막 태양전지는 8.22%의 효율을 보였지만 셀레늄이 부족한 타깃의 경우 잘 깨어지는 단점이 있었다고 한다. 이에 반해 셀레늄이 풍부한 타깃에서는 CIGS 박막 태양전지의 효율이 10.14%로 향상되었다. 셀레늄이 풍부한 타깃의 경우, 스퍼터링이 되어짐에 따라 타깃이 불안정하여서 산소, 황, 소듐 등을 첨가해주었다.

세계 최고 효율을 보이는 CIGS 박막 태양전지의 광흡수층에서는 갈륨의 분포가 노치(notch) 형태를 보인다. 그 이유는 갈륨 원소의 함량에 따라 CIGS 박막의 에너지밴드갭이 변하기 때문이다.

Chia Hao Hsu 박사는 스퍼터링법으로 제조된 CIGS 박막 내에서 갈륨의 분포를 변화시키고, 그에 따른 CIGS 박막 태양전지의 효율 변화를 조사하였다. CIGS 박막 내의 갈륨의 분포는 CIGS 박막 표면 쪽으로 갈수록 증가하는 구조와 감소하는 구조 그리고 노치형의 구조로 만들었다.

이런 갈륨의 분포를 만들기 위해서, 갈륨의 농도가 높은 CIGS 전구체 타깃과 갈륨의 농도가 낮은 CIGS 전구체 타깃을 이용하여 CIGS 박막을 제조하였다. 이 두 타깃의 적층 순서와 횟수를 조절하면 CIGS 박막 내의 갈륨의 분포를 제어할 수 있다.

갈륨의 분포가 일정한 CIGS 박막 태양전지의 효율은 10%인 반면에 표면 쪽으로 갈수록 갈륨의 농도가 감소하는 구조를 가진 CIGS 박막 태양전지는 12.2%의 효율을 보였다.

- Deposition temperature optimizatio n of ALD Zn1-XSnXOy buffer layers for Cu(In,Ga)Se2 solar cells (By Johan Lindahl et. al., Angstrom Solar Center, Uppsala University)

대부분의 고효율 CIGS 박막 태양전지는 버퍼층 물질로 CdS를 사용한다. CdS의 카드뮴은 비록 CIGS 박막 태양전지에서 아주 극소량으로 사용되지만 유해한 원소이기 때문에, 카드뮴이 없는 버퍼층 물질들이 많이 연구 개발되고 있다. 스웨덴 웁살라 대학교 Johan Lidahl 박사는 카드뮴이 없는 CIGS 태양전지를 제조하기 위해서 ZnSn O 물질을 버퍼층으로 사용하였다.

그리고 버퍼층을 증착하는 방법도 기존의 습식 용액 공정 대신 건식 공정인 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 이용하였다. 일반적으로 원자층 증착법은 CIGS 박막 위에 ZnSnO 물질을 일정한 두께로 증착할 수 있고, 박막의 조성도 조절할 수 있다. 원자층 증착법으로 증착된 ZnSnO 박막의 조성을 변화시킨 결과, ZnSnO 박막의 에너지밴드갭이 주석(Sn) 함량에 따라 급격하게 변하였다.

이런 에너지밴드갭의 변화는 버퍼층/광흡수층 계면의 에너지 장벽의 크기를 바꿀 수도 있다. 이로 인해 CIGS 박막 태양전지 효율은 크게 영향을 받았다고 한다. 특히 주석 함량이 [Sn]/([Zn]+[Sn]) = 0.15~0.21 사이의 값에서 가장 이상적인 계면 에너지밴드 정렬과 가장 높은 효율을 보였다.

아울러 ZnSnO 박막의 두께는 15nm로 얇게 증착하였고, 박막의 두께가 증가할수록 효율이 감소하였다. 최적화된 조건에서는 CdS 버퍼층을 가진 CIGS 박막 태양전지의 효율과 거의 동일한 값을 보였고,  18.8%의 가장 높은 효율을 달성하였다.

- Over 10% efficiency Cu2(Zn,Sn)(Se,S)4 submodules (By Hiroki Sugimoto et. al., Showa Shell Sekiyu)

CIGS 박막 태양전지는 대면적에서 16%의 고효율을 달성하였지만, 매장량이 풍부하지 않은 희토류 금속인 인듐, 갈륨을 사용한다. 따라서 향후 테라와트(TW)의 전력 생산량이 요구되는 시점에서는 희토류의 공급 부족이 큰 문제점으로 작용할 수 있다.

이런 문제와 관련하여 Solar Frontier사는 2010년 이후부터 범용 원소인 아연과 주석의 원소를 사용하는Cu2(Zn,Sn)(Se,S)4 (CZTSS) 박막 태양전지 연구를 시작했다. 초기에는 서브모듈(5×5cm2) 사이즈에서 6.2%를 달성하였다. 그리고 이후 CZTSS 박막 태양전지의 효율은 급격하게 상승하였다.

이는 CZTSS 박막 태양전지의 제조 기술이 기본적으로 CIGS 박막 태양전지의 제조 기술과 거의 동일하기 때문이다. 그리고 CIGS 박막에서 갈륨의 농도에 따라 CIGS 에너지밴드갭이 변하는 것처럼, CZTSS 박막도 황의 농도에 따라 CZTSS 박막의 에너지밴드갭이 변하게 된다.

Solar Frontier사의 연구 결과에 따르면, CZTSS 박막 내의 황의 농도가 9%일 때는 에너지밴드갭이 1.0eV, 22%일 때는 1.05eV, 셀레늄이 없이 황이 100%일 때는 1.36eV였다고 발표하였다. 추가적으로 주석의 농도가 감소하게 되면 에너지밴드갭이 더욱 증가하여, 구리/주석의 비율이 1.75일 때 1.46eV까지 상승하였다.

이런 조성에 따른 에너지밴드갭의 변화는 버퍼층과 광흡수층 사이의 에너지 장벽의 크기에 결정적으로 영향을 준다. 그래서 CdS/CZTS의 계면에서는 전도대 영역 불일치(conduction band offset) 값이 0.1eV인 반면에 CdS/CZTSe의 계면에서는 0.6eV로 상대적으로 매우 크게 증가하였다. 그리고 CdS/CZTSe의 계면에서는 아연과 주석의 버퍼층으로 확산이 잘 일어나는 문제점이 발생하였다.

이에 반해 CdS/CZTSSe의 계면에서는 전도대 영역 불일치 값이 0.3eV으로 감소하였다. 그래서 황의 농도를 미세하게 조절하여 0.20~0.25일 때, 가장 높은 10.8%의 효율을 달성하였다.

- Solution processing of 10.3% CZTSSe thin film solar cell by automatic slit coating of metal chalcogenide ink (By Hidenori Miyamoto et. al., Tokyo Ohka Kogyo)

CZTSS 박막 태양전지는 비진공법으로도 만들어질 수 있다. 비진공법으로 CZTSS 박막을 제조할 경우, 매우 유독한 hydrazine 화학 용매를 사용하는 단점이 있다. 따라서 TOK(Tokyo Ohka ko gyo)사는 IBM의 David B. Mitzi 박사와 협력하여 비진공법으로 CZTSS 박막을 제조하기 위한 slit coater 장치를 개발하였다.

Slit coater는 유독한 hydrazine을 사용하기 때문에 글로브박스 안에 설치되고, CZTSS 전구체인 CZTS 잉크는 몰리브데늄(Mo) 기판 위에 도포되게 된다. Slit coater로 도포된 CZTSS 전구체 박막의 두께 균일도는 ±1.66%로 매우 우수하였다.

그리고 CZTSS 전구체 박막을 열처리한 후에도 CZTSS 박막의 두께 균일도는 1.61±0.04μm로 매우 양호한 수준이다. 하지만 slit coater를 통해 만들어진 CZTSS 박막은 두 층으로 분리되는 문제점이 발생하였다. 상부층은 큰 CZTSS결정립이 성장된 반면에 하부층은 작은 CZTSS 결정립으로 이루어져 있었다.

비록 CZTSS 박막이 두 층으로 나누어져 있었지만, CZTSS 박막 태양전지의 효율은 10.3%로 상당히 높았다. TOK사는 slit coater 장치와 CZTSS 잉크를 이용한 대량생산이 조만간 가능할 것으로 전망하였다.

- Fabrication of Cu2(Zn,Sn)S4 thin film from electro-deposited Cu/Sn/Zn metallicstacks (By Feng Jiang et. al., Osaka University)

CZTSS 박막을 제조하는 또 다른 비진공법에는 전기도금법(electro-deposition)이 있다. 전기도금법은 공정 온도가 낮고, 제조 설비도 매우 저렴하며, 화학 폐기물의 발생도 적고, 박막의 조성 조절도 비교적 용이한 편이다. 본 발표에서 오사카 대학 연구그룹은 전기도금법을 이용하여 CZTS 박막 태양전지를 제조하였다.

오사카 대학에서는 CZTS 전구체 금속층을 Cu/Sn/Zn 순서로 전기도금하였다. 제1층인 구리 금속층은 몰리브데늄 기판 위에 균일하게 성장되었다. 하지만 구리층 위에 주석과 아연을 전기도금한 후에는 금속 전구체 박막이 불균일한 도포를 보였다.

이로 인해 황화열처리 후 CZTS 박막에는 많은 균열과 구멍이 발생하였다. 이런 불균일한 전구체 박막의 도포는 주석 금속층의 불균일한 도포 때문인 것으로 분석되었다. 따라서 주석 금속층을 균일하게 도포하기 위해서 주석 전기도금 과정 중 첨가제를 사용하였다. 주석 금속층을 균일하게 도포한 결과, CZTS 박막에서 균열과 구멍의 결함들이 제거되었다고 한다. 개선된 미세구조의 CZTS 박막을 이용하여 박막 태양전지를 만든 결과, 7.99%의 고효율을 달성할 수 있었다.

3세대 태양전지 연구 개발 동향

초청 강연

- The advent of mescopic solar cells (By Michael Gratzel, EPEL Swizerland)

EPEL의 Michael Gratzel 교수는 처음으로 10% 이상의 고효율 염료 감응형 태양전지를 구현한 권위자이다. TiO2를 사용하는 염료 감응형 태양전지는 끊임없는 연구를 통해, 새로운 염료 감응형 태양전지의 물질과 구조가 계속적으로 개발되었다. 초기 염료 감응형 태양전지는 10μm의 두꺼운 TiO2층 위에 염료와 액체 전해질이 채워지는 구조로 만들어졌다.

그 후 염료 감응형 태양전지의 액체 전해질은 염료 감응형 태양전지의 안정성 문제를 유발시키는 주요 요소로 대두되어, 많은 연구자들이 액체 전해질을 고체 물질로 바꾸는 연구를 활발하게 진행하였다.

하지만 고체 전해질은 전도도가 낮고 전극의 불완전한 접촉의 문제점들이 있었다. 이 때문에 고체 염료 감응형 태양전지를 제조하기 위해서 전해질 대신 p형 전도성 고분자 혹은 유기 홀 전도체의 물질을 사용하는 방법이 연구되기도 하였다.

그 외에 얇은 TiO2층 위에 ETA(extremely thin absorber)층을 성장한 ETA 태양전지가 개발되기도 하였다. 현재 태양전지의 효율 측면에서 가장 진도된 염료 감응형 태양전지의 구조는 Al2O3층 위에 페로브스카이트(perovskite) 물질인 CH3NH3PbI3 얇은 층을 성장시키고, 그 위에 유기 홀 전도체로 채워지는 형태이다. 이런 페로브스카이트 태양전지를 통해 EPEL의 Michal Graetzel 그룹에서 15%의 고효율을 달성하였다. 현재 페로브스카이트 태양전지는 가장 많이 연구되고 있는 태양전지 구조이다.


- Strategies of achieving high perform ance OPV devices (By Yang Yang, University of California Los Angeles)

전도성 유기물이 개발된 이후, 폴리머는 전자 재료로 크게 각광받아 왔고, 유기물 태양전지도 지난 5년 동안 에너지 변환 효율이 4%에서 10% 이상까지 꾸준히 상승하였다. 유기물 태양전지의 효율 상승은 광흡수 계수와 전하의 이동도가 큰 새로운 유기물의 개발과 전하들이 분리되어 이동하기 용이한 형상 제어 등이 가능해졌기 때문이다.

형상 제어를 하기 위한 방법으로는 용매 열처리, 첨가제 사용 등이 있다. 그리고 유기 태양전지는 태양광을 좀 더 효율적으로 사용할 수 있는 적층 구조로도 제조될 수 있다. UCLA의 Yang Yang 교수는 작은 에너지밴드갭을 가지는 폴리머와 큰 에너지밴드갭을 가지는 폴리머의 텐덤 구조를 이용해서 유기 태양전지의 효율을 11.6%까지 달성하였다.

일반적으로 폴리머는 비교적 얇은 두께에서도 태양광을 잘 흡수한다. 하지만 UCLA의 Yang Yang 교수는 현재 유기물 태양전지의 두께가 너무 얇기 때문에 태양전지를 제조하는 관점에서 용이하지 않다고 지적하고, 유기 태양전지의 양산성을 높이기 위한 측면에서 유기물 박막의 두께를 증가시켜야 한다고 발표하였다.

유기물의 두께가 증가할 경우, 유기물 태양전지의 효율은 소폭 상승하였다가 다시 급격하게 감소하였다. 유기물 박막의 두께를 증가시키기에는 아직 추가적인 개선이 많이 요구되는 시점이다. 향후 높은 전하 이동도와 수명을 가지는 새로운 유기물이 발견된다면 유기물 태양전지의 효율은 15~18%까지도 달성될 수 있을 것으로 전망하였다.

구두 강연

- Surface passivation effect of porous TiO2 for perovskite sensitized solar cells (By Keniji Kukihara, Kyushu In stitute of Technology)

지난 몇 년 동안 염료 감응형 태양전지의 효율은 급속하게 발전하였다. 특히 액체 전해질을 고체 물질로 바꾸는 과정 속에서 새로운 물질과 다양한 태양전지의 구조가 많이 개발되었다. 그중 TiO2층 위의 표면 trap 사이트를 제거하기 위한 방법으로 얇은 Al2O3층을 성장하는 방법이 개발되었는데, Al2O3층은 TiO2층의 표면을 패시베이션시켜서 생성된 전자들이 오랫동안 재결합되지 않고 분리될 수 있게 해준다.

이번 발표에서 Keniji Kukihara 박사는 Al2O3 물질 대신에 Y2O3 물질을 TiO2층 위에 성장시켰다. 그 결과 TiO2층에서 전자와 홀의 재결합 속도가 감소하여 전하의 수명이 증가되었다. 이런 Y2O3의 표면 패시베이션을 통해서 염료 감응형 태양전지의 효율을 6.59%에서 7.5%까지 증가시켰다.

- Perovskite/fullerence planar-heterojuncti on solar cells (By Jun-Yuan Jeng et. al., National Cheng Kung University)

대만 국립성공대학교의 Jun Yuan Jeng 박사는 페로브스카이트 물질인 CH3NH3PbI3와 fullerene을 이용해서 평면형 이종 접합(planar-heter ojunction) 유기물 태양전지를 제조하였다. 광흡수 계수가 높은CH3NH3PbI3는 donor로서 20~30nm 두께로 도포되었다.

CH3NH3PbI3는 유기물 태양전지의 홀 전도체와 광흡수층으로 작용하게 된다. 그리고 CH3NH3PbI3 위에 이종 접합을 만들기 위해서 acceptor로 fullerene, ICBA, 그리고 PCBM 등의 유기물을 사용하였다. 그중 CH3NH3PbI3와 fullerene 물질로 만든 이종 접합의 유기물 태양전지에서 가장 높은 효율인 3.9%가 달성되었다.

새로운 물질과 이종 접합의 유기물 태양전지는 비교적 제조 과정이 간단하고, 모든 재료가 고체인 장점을 가지고 있다.

태양전지 제조사 전시회 및 발표

1세대 태양전지 제조사 전시 및 발표

현재 태양전지 시장에서는 1세대 태양전지인 결정질 실리콘 태양전지의 점유율이 80% 이상으로 가장 높다. 이번 학술대회에는 1세대 결정질 실리콘 태양전지와 관련된 회사들이 가장 많이 참석하였고 가장 많은 제품을 전시하였다. 결정질 실리콘 태양전지 제조사로는 GCL solar, Mot ech 사 등이 참석하였다.

그리고 결정질 실리콘 태양전지의 부품 및 소재 회사로는 Dupont, Centrotherm 등이 참석하였다. 특히 Dupont사는 결정질 실리콘 태양전지의 back sheet의 신제품인 Tedlar를 소개하였다. Dupont사에 따르면 이 제품을 사용하였을 경우, 외부 환경에 의한 태양전지 모듈의 부식 및 열화 현상이 잘 방지되어서 오랫동안 결정질 실리콘 태양전지의 성능이 잘 유지되었다고 발표하였다.

그리고 대만의 결정질 실리콘 태양전지 제조 및 장비 부품 관련 중소기업들도 많이 참석하였다.

2세대 태양전지 제조사 전시 및 발표

2세대 박막 태양전지 회사로는 CIGS 박막 태양전지 장비 제조사인 Manz사와 비정질 실리콘 박막 태양전지 제조사인 TEL solar 사 등이 참석하였다. 그리고 박막 태양전지의 시제품도 전시하였다. Dupont에서는 유연한 CIGS와 CdTe 박막 태양전지를 만들기 위해서 필요한 플라스틱 기판 소재를 소개하였다.

또한 CIGS 박막 태양전지 제조사인 TSMC solar사는 1m2 이상의 대면적에서 15.7%의 모듈 효율을 달성하였다고 발표하였다. 그리고 Manz사에서는 CIGS 태양전지의 버퍼층을 성장시키는 Chemical Bath Deposition 장치로 CdS 박막을 150초 이내로 성장시킬 수 있다고 발표하였다.

학술대회 분석 정리

대만 타이페이에서 개최된 23번째 국제 태양전지 학술대회는 각 세대별 태양전지의 최신 연구 결과와 동향을 중심으로 진행되었다. 1세대 결정질 실리콘 태양전지에서는 효율을 향상시키기 위한 방안으로 결정질 실리콘 웨이퍼 위에 비정질 실리콘 박막을 성장시켜 표면의 재결합 속도를 줄이는 부분에 대한 발표가 주를 이루었다.

그리고 결정질 실리콘 태양전지의 가격을 줄이기 위한 방법으로는 실리콘 웨이퍼의 크기의 증대 및 모듈화 공정의 개선에 대한 발표가 이루어졌다.

다음으로 2세대 CIGS 박막 태양전지에서는 CIGS 박막 표면의 에너지밴드갭을 늘리고, 계면의 결함을 줄이는 황화열처리 공정에 대한 심도 있는 토론이 이루어졌다. 그리고 CIGS 박막의 인듐, 갈륨을 대체하기 위한 CZTS에 대한 연구 발표도 많이 이루어졌다.

IBM에서는 CZTS 박막 태양전지에서 12%의 세계 최고 효율을 달성하였고, EMPA에서는 유연한 폴리머 기판에서 20.4%를 보이는 CIGS 태양전지의 연구 결과를 발표하였다. 마지막으로 3세대 유기물 및 염료 감응형 태양전지는 차세대 태양전지로서 현재 다양한 유기물과 태양전지 구조가 많이 개발되어 많은 발표가 이루어졌다.

특히 염료 감응형 태양전지는 기존의 액체 전해질에서 고체로 개선됨으로써 태양전지의 안정성이 개선되었다. 또한 태양전지의 효율도 계속해서 상승하고 있다. 특히 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지는 15%의 고효율까지 달성됨으로써 많은 연구자들에 의해 각광을 받고 있다.

이렇게 각 세대별 다양한 태양전지의 물질과 구조가 소개되었고, 활기찬 토론과 유익한 정보 공유로 이번 PVSEC-23 학회는 성황리에 잘 마무리되었다.

또한 많은 태양전지 제조사들도 참가하여 최근의 태양전지 모듈 효율 결과와 향후 사업의 전망을 발표함으로써 태양전지 산업계의 미래도 가늠할 수 있었다. 전시회에서는 태양전지 제조사들의 시제품이 공개되었고, 태양전지의 사업에 대한 토론과 거래도 활발히 이루어졌다.