한국에너지기술연구원
CIGS 박막 태양전지 신공정과 신기술 및 시장전망
최근 박막 태양전지 분야는 물론이거니와 전체 태양전지 시장에서 가장 주목받고 있는 태양전지는 화합물 박막 태양전지의 일종인 CdTe 태양전지인데, 이 CdTe 태양전지와 함께 높은 변화효율을 자랑하는 것이 CIGS 박막 태양전지이다. Cu, In, Ga, Se의 4가지 원소로 구성된 Cu(InGa)Se2(CIGS) 박막 태양전지는 105cm-1 이상의 높은 광흡수계수로 인해 두께 1~2μm의 광흡수층만으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 우수한 특성을 지니고 있다. 또한 CIGS 박막 태양전지는 CdTe 박막 태양전지보다도 2% 이상 효율이 높을 것으로 예상되기 때문에 대면적 양산 모듈 기술 개발에 성공할 경우 매우 빠른 속도록 성장 할 것으로 기대된다.
글: 윤재호 선임연구원 / 한국에너지기술연구원
yunjh92@kier.re.kr / www.kier.re.kr
CIGS 박막 태양전지 기술의 개요
태양전지 시장의 급성장으로 인한 폴리실리콘 부족문제는 어느 정도 해결되는 상황이며 일부에서는 공급과잉을 우려하고 있다. 이와 더불어 다수 기업들의 단가절감 노력에 의해 결정질 실리콘 태양전지의 가격은 하락하고 있다. 하지만 아직까지도 전체 태양광 시스템의 발전단가는 여타의 발전방식과 직접적으로 경쟁하기 어려운 상황이다. 따라서 태양광 발전 시스템의 실용화를 위해서 가장 중요한 것은 시스템을 구성하는 요소들의 저가화이며 특히 저가 고효율 태양전지의 개발이 그 핵심이다.
결정실 실리콘 태양전지는 상대적으로 높은 효율과 안정성으로 인해 시장의 80% 이상을 점유하고 있다. 하지만 결정질 실리콘 태양전지는 소재나 공정 측면에서 가격 하락 요인이 제한적이다. 이와는 달리 수 마이크로미터만을 광흡수층 소재로 사용하는 박막 태양전지는 원소재 소비량이 적고 저가 연속 공정이 적용 가능하여 저가 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 결정질 실리콘 태양전지에 비해 상대적으로 낮은 모듈 효율은 시장 점유율 확대의 걸림돌로 작용하고 있다.
즉 CIGS 박막 태양전지는 CdTe 박막 태양전지보다도 2% 이상 효율이 높을 것으로 예상되기 때문에 대면적 양산 모듈 기술 개발에 성공할 경우 매우 빠른 속도록 성장 할 것으로 기대된다.
이러한 CIGS 박막 태양전지의 장점들로 인해 국내외적으로 많은 기업과 연구기관에서 관련한 연구를 진행하고 있다. 현재 가장 많은 연구가 진행되고 있고 또한 제품으로 생산되는 CIGS 박막 태양광 모듈은 (그림 2)에서와 같이 소다회 유리, 금속 호일, 폴리머를 기판으로 하여 Mo 후면전극/CIGS 광흡수층/CdS 버퍼층/ZnO 투명전극의 구조를 가지고 있다. 제조 공정 측면에서는 동시진공증발법 혹은 스퍼터링 법과 같은 (Physical Vapour Deposition)이 CIGS 증착에 주로 적용되고 있다. CIGS 박막의 junction partner로 사용되는 CdS 박막은 용액성장법에 의해 주로 제조되며 투명전극으로 사용되는 ZnO 박막은 스퍼터링 방법으로 주로 제조된다.
하지만 현재의 CIGS 박막 태양전지의 기술 수준으로는 화석연료와의 경쟁은 물론 앞서 설명한 CdTe 박막 태양전지의 제조 단가에 수준에도 이르기가 어렵다. 제조단가는 더욱더 낮아져야 하며 변환효율은 더욱더 높아져야 한다. 현재의 수준에서 가장 중요한 것은 실험실 수준에서의 고효율 CIGS 태양전지를 모듈 단위에서 구현하는 것이다. 이를 위해 대면적 박막의 균일성 및 생산속도 확보, 모듈 디자인, 스크라이빙 공정 최적화 기술 개발이 진행 중이다.
이와 동시에 선진국에서는 이미 소재 및 공정 저가화를 위한 연구를 활발히 진행하고 있으며 변환효율을 높이기 위한 여러 가지 기술들이 적용되고 있다. 따라서 국내에서도 유리를 기판으로 한 대면적 CIGS 박막 태양광 모듈 기술 개발을 적극적으로 추진하는 한편, 다음에서 소개하는 미래기술 확보를 통해 선진국 기술을 추월할 수 있는 기술경쟁력을 확보해야 한다.
유연 CIGS 박막 태양전지 기술
(그림 4)와 같이 스테인리스스틸, Ti, Mo, Cu 등의 금속 박판이나 polyimide와 같은 폴리머 기판을 적용한 CIGS 박막 태양전지는 기존의 유리 기판 CIGS 박막 태양전지에 비해 많은 장점이 가지고 있다. 유리 기판에 비해 저가 기판을 사용할 뿐만 아니라 roll-to-roll 공정을 적용하기 때문에 생산단가를 낮출 수 있다. 또한 가볍고 유연한 태양전지를 구현할 수 있어 건물 일체형 모듈(BIPV) 뿐만 아니라 항공 우주용 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다.
유연 CIGS 박막 태양전지의 기판소재의 경우 가격, 열안정성, 내부식성, 진공공정에서의 적합성등과 함께 열팽창 특성이 중요하게 고려되어야 한다[3]. Ti 기판의 경우 열팽창 특성은 CIGS에 부합하지만 가격이 비싸고, 스테인리스 스틸은 가격이 싸고 화학적으로 안정하지만 열팽창계수 차이와 불순물 등의 문제를 가지고 있다. 폴리머 계열의 기판은 가격과 기능면에서는 탁월한 특성을 가지고 있지만 450℃ 이상의 고온공정이 불가능하기 때문에 추가적으로 저온 공정 기술을 개발해야한다. 따라서 (그림 5)에서와 같이 유연기판 CIGS 박막 태양전지는 개발 목적과 보유기술에 따라 다양한 기판 소재와 다양한 CIGS 제조 방법이 적용되고 있다. 대면적 유리 기판을 기판으로 사용해 동시진공증발 공정을 적용하였을 경우 발생하는 여러 가지 문제들이 금속 호일을 기판으로 한 roll-to-roll 공정에서는 나타나지 않기 때문에 많은 기업체들이 동시진공증발공정을 채택하고 있는 것이 특징이다. 또한 Miasole, Heliovolt, Solopower 등 최근 새롭게 CIGS 박막 태양전지 시장에 진출하는 신규 기업의 경우 대부분 유연기판을 채택하고 있는 것도 주목할 만한 지점이다.
하지만 현재까지 유연 기판을 적용한 CIGS 박막 태양전지의 경우 유리 기판을 적용한 것과 비교하였을 때 효율이 낮다는 단점이 있다. 이는 여러 가지 문제에서 기인하는데 기판과의 접착성, 불순물 확산, Na-free 효과 등이 그것이다. 이러한 문제를 극복하기 위해 기판으로부터의 불순물 확산 방지막 증착, 소자 Isolation을 위한 절연막 증착, 별도의 Na 첨가 공정 등이 개발되고 있다. 특히 Na 첨가 기술은 고효율 유연기판 태양전지를 위한 핵심적 요소이며 선진국에서는 다양한 방식으로 유연기판 CIGS 광흡수층에 Na을 첨가하고 있다. CIGS 증착 전에 스프레이 혹은 진공 증착 방식으로 Na 소스 물질을 도포하거나 동시진공증발시 Na2Se와 같은 물질을 동시에 증착하기도 한다. 또한 CIGS 박막 증착 후에 Na을 열처리를 통하여 첨가시킨다. 최근에는 확산 방지를 위한 산화막층에 Na을 포함시키거나 Mo 층에 Na을 포함 시키는[4] 등 유연 기판 CIGS 박막 태양전지 분야에서 Na 공급법이 가장 이슈로 부각되고 있다.
비진공 CIGS 박막 태양전지 기술
CIGS 박막 태양전지가 가지고 있는 여러 가지 장점에도 불구하고 고가의 PVD 공정을 사용하게 되면 제조단가가 높을 뿐만 아니라 사용되는 재료의 20-50%의 손실을 감수해야만 한다[5,6]. 이러한 관점에서 비진공 코팅방법에 의한 CGIS 광흡수층 제조 기술은 (그림 6)에 나타난 바와 같이 기존의 진공 공정을 적용하지 않기 때문에 초기 설비 투자비 및 공정비가 적어 초저가 태양전지의 구현이 가능하다.
비진공 방식에 의한 CIGS 광흡수층 제조 기술은 기존에 잘 알려진 전착(Electro-deposition)법 이외에도 전구체 물질의 형태에 따라 크게 입자형 전구체를 사용하는 방법[5-11]과 용액 전구체[5]를 사용하는 방법으로 나눌 수 있다. 입자형 전구체로는 Cu(InGa)Se2 4원 화합물 입자[7-10], CuIn 또는 Ga 산화물 입자[11,12], Cu-In 합금 입자[6] 등 다양한 물질이 사용되며 용액 전구체로는 Cu(NO3)2, InCl3를 메탄올에 용해시킨 용액이 보고되었다[5]. 이와 같은 전구체 물질을 분무 코팅, 스크린 프린팅, 닥터블레이드 코팅 등 여러 방식의 비진공법으로 코팅한 후 열처리하여 CIS계 광흡수층을 얻을 수 있다.
입자형 전구체의 장점은 나노크기의 CIGS입자의 특성으로 높은 밀도의 박막을 얻을 수 있고, 전구체 박막의 조성과 셀렌화 후 박막의 조성이 일치하여 조성 제어가 수월하다[6]. 용액 전구체를 이용한 방법은 전구체 물질 제조가 입자형 전구체 제조에 비해 매우 간단하고 전구체 물질 내 구성원소의 원자비를 쉽게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 또한 사용효율이 높아 소량의 source로도 박막 제작이 가능해 공정 단가 절감에 큰 효과가 기대된다. 미국의 Nano Solar에서 최근 입자형 전구체를 이용해 14% 이상의 소면적 태양전지 효율을 발표하였으며[13] 생산 모듈 판매도 일부 발표되었으나 공개된 정보가 많지는 않은 상황이다. 또한 미국의 IBM에서는 용액 전구체를 사용해 12% 이상의 소면적 태양전지 효율을 발표하였다.
CIGS 광흡수층 저가화 기술
현재 2㎛ 내외로 사용되고 있는 CIGS 박막의 두께를 1㎛ 이하로 줄이는 기술과 In, Ga 등의 상대적인 고가 원소들을 저가 원소로 대체하는 기술 등이 광흡수층 저가화 기술에 포함된다. (표 1)과 같이 광흡수층의 두께를 1㎛ 이하로 줄일 경우 단락전류밀도가 감소하게 되는데 이는 광흡수층 두께 감소로 인하여 빛의 흡수가 감소했기 때문이다. 즉 CIGS 화합물 반도체의 경우 광흡수계수가 높지만 1㎛ 이하의 두께일 경우 빛의 투과도가 감소한다는 것이고 이를 해결하기 위해서는 실리콘 박막 태양전지에서 적용하고 있는 후면 reflection 및 light trapping 기술 등을 활용해야 한다.
결론
CIGS 박막 태양전지는 장기간의 연구개발을 통해 현재 대량생산체제 단계에 진입하였다. 또한 효율과 제조단가 측면에서 더욱더 빠른 속도의 성장이 예측된다. (그림 8)에서 나타난 바와 같이 CIGS 박막 태양전지의 양산 기술이 확보될 경우 2GW 정도의 생산라인이 구축될 전망이다. 또한 향후의 국가별 혹은 제조 기업별 경쟁에서의 주요한 요소는 안정적인 대면적 CIGS 박막 태양광 모듈의 생산 기술 확보 정도와 함께 다양하면서도 독창적인 기술의 확보 여부이다. 따라서 후발주자인 한국의 경우 CIGS 박막 태양전지에 대한 조속한 대량생산체계 구축 뿐만 아니라 CIGS 박막 태양전지와 관련한 핵심 원천 기술에 대한 개발 또한 매우 중요하다. 유연 기판 활용 기술, 비진공 증착 기술, 저가 범용 원소 이용기술, 탠덤구조 태양전지 제조 기술 등은 발전 잠재력은 높지만 선진국에서도 개발 초기 상태의 미완의 기술들이다. 따라서 지금부터 국내에서도 집중적인 개발이 진행된다면 선진국과의 경쟁이 가능할 뿐만 아니라 기술 주도권을 확보할 수 있다.
참고문헌
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