Kosen Report
글: 홍진기
고려대학교 / www.korea.ac.kr
자료제공: KOSEN(한민족과학 기술자 네트워크)
www.kosen21.org
박막 태양전지의 에너지변환효율 향상은 향후 태양전지 성장의 열쇠가 되고 있는데, 아직까지 낮은 수준에 머물고 있고, 기술 표준화가 이루어지지 않아 대량생산의 어려움도 있다. 특히, 실리콘 소재에 비해 재료물성과 소자에 대한 이해가 부족하여 이에 대한 많은 연구를 통하여 화합물 박막 태양전지가 가지고 있는 잠재력 구현을 위한 노력이 필요하다.
CdTe 태양전지의 기술적인 문제는 크게 CdS/CdTe 접합과 후면전극으로 나눌 수 있고, 효율 개선을 위한 투명전극 및 광투과층에 대한 활발한 연구가 필요하다. 앞으로 후면전극에서의 전기저항을 낮추고, CdTe 층의 전기전도도 향상, CdS/CdTe 계면의 최적화, CdTe의 격자수와 비슷한 광투과층이 개발된다면 차세대 태양전지로서 각광받을 것이 확실하다. 따라서, 차세대 태양전지의 새로운 발굴을 위하여 이러한 분야의 연구개발이 체계화되어야 할 것이며 범국가적인 차원에서 대면적화를 통한 상용화를 추구해 나가야 할 것이다.
CdTe 태양전지 개발의 필요성
프랑스의 과학자 Becquerel이 1839년 광기전력 효과를 발견한 후, 미국의 Bell Lab에서 실리콘 소재의 태양전지가 처음 개발되었다. 1958년 우주선 Vanguard 호의 전원공급 장치로 실용화되면서, 1970년대까지 태양전지는 우주선에 응용이 국한되었다. 2000년대 이후 온실가스 배출 및 화석연료의 공급 불안정 문제가 대두되면서 무한정의 태양에너지로부터 전기에너지를 생산하는 태양광발전 산업이 본격적으로 주목을 받았다. 세계 태양전지 생산능력 및 생산량은 2006년 51% 및 40%의 성장률에 이어, 2007년에는 전년대비 70%, 69%의 가파른 상승세를 보이고 있다.
기존의 실리콘 기반 태양전지의 대안으로 제시되고 있는 화합물 박막 태양전지는 II-VI족 화합물인 CdTe와 I-III-VI2 화합물인 Cu(In,Ga)Se2 (CIGS)가 광흡수층으로 사용되는 태양전지가 포함된다. CdTe, CIGS 등의 화합물 반도체는 실리콘 소재에 비하여 광흡수 계수가 매우 높다. 광흡수계수가 높다는 것은 얇은 두께의 광흡수층으로도 빛을 효과적으로 흡수하여 전기에너지로 전환할 수 있다는 것이다. 이는 원자재의 비용 절감으로 이어지며, 최근 화합물 박막 태양전지가 각광받은 가장 큰 요인이기도하다. 또한, CdTe 및 CIGS 태양전지는 미국의 NREL이 각각 16.5%[1], 19.9%[2]의 실험실 최고 효율을 달성였으며, 모듈에서도 실리콘 태양전지의 효율을 능가할 것으로 전망되고 있다.
특히 최근 CdTe 태양전지는 높은 경제성과 효율성으로 급부상하고 있다. CdTe 태양전지의 시장점유율은 2003년에 1.1%에 불과하였으나, 2007년에는 4.7%로 크게 확대되었고, 박막 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 2003년 10.6 %에서 2007년 44.7%로 급증하였다. 이는 결정질 실리콘 기반의 태양전지가 원재료 급등에 따라 고가에 판매되고 있고 a-Si 태양전지의 효율 개선이 지연되는 요인도 있지만, CdTe 태양전지의 다음과 같은 장점이 주된 요인으로 작용한 것이다.
제조비용면에서 결정질실리콘형은 제조비용이 Watt당 $2.77~2.96으로 박막형의 비용(Watt당 $1.35~1.85)의 두배 수준이다. 이는 결정질실리콘 태양전지가 Bulk 상태의 원재료로부터 태양전지를 만들기 때문에 원재료가 비싸고, 공정자체가 복잡하여 원가 절감이 어렵기 때문이다. 반면, 박막형 태양전지의 경우 유리, 메탈, 플라스틱 등 저가 기판 사용이 가능할 뿐 아니라 가스반응에 의한 제조로 기판의 대형화가 용이하고, 대량, 연속 생산이 가능해 규모의 경제를 통한 경제성 확보에 유리하다. 또한, 플라스틱 기판의 경우 Roll-to-Roll 방식을 활용하면 원가절감 잠재력이 더욱 크다. 특히, 광흡수계수가 높아 소자의 두께를 얇게 만들어도 되는 CdTe 태양전지는 표 1에서 보이듯이 모든 태양전지 제조 기술 중 최저의 제조 단가를 가지고 있어, 제조비용면에서 우위를 점하고 있다.
표 1. 소재별 태양전지 모듈 제조단가 전망 [3]
생산 공정면에서도 a-Si, CdTe, CIGS/CIS 태양전지중, CdTe 태양전지가 가장 단순하다. CdTe는 원소간 결합력이 강하고 다른 형태의 화합물을 만들지 않아 증착 등 간단한 제조방법으로 비교적 쉽게 박막을 형성할 수 있다. 이에 반해 CIGS/CIS 태양전지는 물질을 구성하는 원소가 많고 다양한 화합물을 형성할 수 있어서 복잡하고 까다로운 공정을 거쳐야 하는 단점이 있다.
생산안정성면에서는 a-Si 태양전지가 20년 이상의 오랜 기술 축적으로 내구성과 신뢰성이 가장 안정화되어 있으나, CdTe 태양전지도 First Solar가 2007년 a-Si 태양전지에 버금가는 생산량을 달성함으로써 이전까지의 안정성 우려를 불식시켰다. CIGS/ CIS 태양전지의 경우 소면적에서의 높은 효율 달성에도 불구하고 대면적에서의 효율 문제가 해결되지 않아 상용화에 어려움을 겪고 있다.
CdTe 태양전지의 구조
CdTe 태양전지의 기본구조는 그림 1에서 보는 것과 같이 CdTe(광흡수층)과 CdS(광투과층)의 이종접합, 전면 투명전극(TCO), 후면전극(Backcontact) 등으로 구성된다. 광흡수층인 CdTe는 Sputtering, Evaporation, Electrodeposition 등의 다양한 방법으로 박막 형성이 가능하나, CSS(Close-spaced sublimation) 방법이 널리 사용되고 있다. CSS 법은 장치 구조가 간단하고 유지·보수가 수월하며, 원료물질과 기판사이의 간격이 수 mm 정도로 작아 빠른 증착 속도를 구현하여 양산형 태양전지 제조하기에 적합하다.
최근에는 CSS 공정보다 양산에 유리한 VTD(Vapor Transport Deposition) 공정이 적용되고 있다. VTD는 공정은 원료물질을 가열하여 기체상태를 만든 후, 반응챔버에 공급하며 가열된 반응챔버는 기체분사 방식으로 기판에 CdTe 박막을 형성한다. 이 방법은 First solar, IEC 등에서 적용하고 있다.
광 투과 층으로 사용되는 CdS는 밴드갭이 2.42eV이고, In, Sn, Al, Cl, Br 등으로 쉽게 n형-반도체로 도핑될 수 있다. 불순물을 첨가하지 않더라도 성막과정에서 생성된 과잉의 Cd로 인하여 발생된 S의 정공이 도너로 작용하므로 쉽게 n형-반도체를 얻을 수 있다. CdS 박막형성 방법은 진공증착법, 스퍼터링, 화학기상증착법, 열분해법, 그리고 CBD(Chemical Bath Deposition) 법 등이 있다. CdS 박막을 형성하는데 가장 많이 사용되는 CBD 법은 여러가지 화합물을 포함한 수용액에서 화학반응을 이용하여 증착하는 방법이다.
그림 1. CdTe 태양전지의 구조
CdTe 태양전지에서 가장 중요하게 해결되어야 할 과제는 저항이 낮고 안정된 후면전극을 형성하는 것이다. 일 함수가 큰 CdTe는 보통의 금속 전극을 사용했을 경우 CdTe와 금속간에 Schottky 장벽이 형성된다. 이 때, 후면전극은 바람직한 Ohmic특성을 보이지 않아 전압을 인가하면 후면전극에서 전압강하가 일어나게 되어, 소자의 series resistance를 증가시키게 되고, 결국 소자의 최종성능인 효율을 저하시키는 원인이 된다. 후면전극을 형성하는 방법은 비교적 일함수가 큰 금속을 증착하거나 Cu를 도핑하는 방법, 그리고 p+ 반도체를 증착하는 것이다. 현재 Au, Cu/Au, Te, Ni/Al, ZnTe:Cu, 그리고 Cu-doped graphite 등의 물질들이 후면전극으로 이용되고 있고, 이중에서 고효율을 나타내는 방법으로 Cu를 doping하거나 Cu-doped carbon을 사용 방법이 보고되고 있다. 한편, 상용화의 걸림돌이 되고 있는 Cd의 독성에 대한 문제를 해결하기 위해 recycling system에 대한 체계적인 연구가 진행되고 있으며, 이 문제는 조만간 해결될 것으로 보인다.
CdTe 태양전지의 최근동향 및 전망
CdTe 태양전지의 효율은 현재 미국의 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 16.4%가 세계기록이며, 미국의 First Solar Inc., 영국의 BP solar, 일본의 Matsushita Batteries 등에서 연구되고 있으며, 특히 미국의 경우는 현재 수백 kW 규모의 파이롯 시스템을 가동하고 있다. 또한, 미국은 전력계통의 인프라가 부족한 남미, 인도, 아프리카 등을 대상으로 대규모 태양광 발전소의 설립을 추진하고 있다.
특히, 미국의 CdTe 태양전지 제조회사인 First Solar는 2007년 박막형 태양전지 공급량 1위, 전체 태양전지 업계 5위의 공급량을 기록하였는데, 2008년 전체 통계에서는 2위에 올랐다. CdTe 태양전지 단일 품목 만을 생산하는 First Solar가 Si 기반 태양전지 제조업체이며 공급량 2, 3위였던 일본 Sharp와 중국 Suntech을 추월한 것으로, 이 때문에 일본의 대표주자였던 Sharp는 4위로 밀려나고, 1위인 독일 Q-Cells(Si 태양전지 생산)마저 자리를 위협받고 있다[4].
표 2. 2007년 박막 태양전지 업체별 생산량 순위
CdTe 태양전지의 시장 점유율은 급격히 상승하고 있다. 2006년 전체 태양전지 시장의 2.7%에 그쳤으나 2007년 4%, 2008년 6%로 점유율이 높아졌다. 업계 1위인 First Solar는 내년께 연간 1GW로 양산능력을 확장해 2012년까지 밀려있는 3GW의 주문물량을 소화한다는 구상이다. 박막형 태양전지 업계 전망에 의하면 올해 600MW 규모인 CdTe 생산능력은 2010년 1096MW, 2012년 1173MW로 확대될 것으로 예상하고 있다.
국내에서는 한국과학기술원이 스크린 프린팅 기법으로 CdTe를 합성하는 연구를 수행하여 효율 12%를 얻었다고 발표하였고, 일부 대학에서도 기초연구 수준으로 진행되었으나 실제로 상용화에 필요한 대면적화 방안에 대한 연구개발이 미흡한 실정이다. 현재 국내에서는 연구개발 업체로는 유일하게 (주)와이에스썸텍이 산학협동으로 CdTe 태양전지를 양산을 목표로 개발 중이며[5], 미국계 태양전지 업체인 어드밴스드솔라다이나믹스(ASD)는 경상북도 구미시 인근에 10MW 급 CdTe 박막 태양전지 생산시설을 구축하고, 2012년 생산을 목표로 하고 있다[6].
표 3. 주요업체의 CdTe 태양전지 증설 계획
한편, CdTe는 일부 국가에서 사용이 금지된 카드뮴 등의 독성화합물을 원료로 쓰고 있어 환경 이슈에 취약하다는 단점이 있다. 일본은 이와 같은 이유로 관련 프로젝트를 중단한 바 있으며, 우리 정부도 생산 및 수입에 고심을 하고 있다. 그러나, 외국 업체들은 별도의 보험으로 사용자의 부담을 낮춰주고 폐전지 수거와 재활용까지 보장하는 전략을 취해 이 부분에 대한 우려는 상당부분 불식된 상태며 화합적 반응이 끝난 카드뮴은 외부에 노출되더라도 유해성이 그리 높지 않다는 것이 전문가들의 지배적인 의견이다. 향후 CdTe 기반 태양전지의 발전추세는 고효율을 얻기 위한 다중접합구조(tandem) 개발로 요약할 수 있다. 다결정 반도체로 이루어진 다중접합 태양전지는 이론적 최대효율은 28%이며, 이때 상부전지의 밴드갭(Eg)이 1.75 eV, 하부전지는 1.12 eV일 때 최대의 효율을 얻을 수 있다. 하위 전지용 반도체는 밴드갭을 고려할 때 CIS/CdS 구조가 적절하며 상부전극의 흡수층은 CdMnTe, CdMgTe 등이 유력하다. 20% 이상의 고효율을 달성하려면 밴드갭보다 큰 빛에 대해서 투과도가 70% 이상이어야 하며, 밴드갭이 1.75eV 정도에서 그 크기의 조절이 가능해야 하는데, CdMnTe는 약간의 Mn의 첨가로 큰 범위의 밴드갭 튜닝이 가능하되, Lattice constant의 변화는 매우 작아서 고투과도 상위전지 소재를 위한 밴드갭 엔지니어에 최적의 조건을 가진 물질이다. 이러한 연구는 NREL 등 선진 연구 그룹에서 최근 개발을 시작하였으며[7], 국내에서도 이에 대한 연구가 시급히 요구된다.
표 4. 한국의 태양전지 국산 채용률
정부 정책
정부는 2012년까지 누계기준 총 1,300MW의 전력을 태양 전지로부터 생산하는 계획을 수립하고 있고, 이는 원자력 발전소 1기에 해당하는 규모이다. 정부가 추진하는 태양광 관련 지원 정책을 살펴보면, '태양광 주택 10만호 보급사업', '발전차액지원제도', '공공건물 신재생에너지 의무 설치제도'등을 예로 들 수 있다. 이러한 태양광 발전 육성 제도는 국내 관련 산업체의 활성화와 경쟁력 확보를 도모하여 관련 산업 전망은 고무적인 것으로 판단된다. 정부의 적극적인 정책은 중소기업 중심 투자에서 대기업의 참여로의 변화를 초래하였는데, 예를 들어 동양제철화학 그룹, LG그룹, 삼성그룹 등이 미래 전략 산업으로 태양광 분야에 참여하고 있다. 그럼에도 불구하고, 국내 태양전지 기술 수준은 미국, 일본, 독일 등 선진국에 비해 아직 저조하고, 인프라가 부족한 실정이다. 국내에서는 핵심부품인 태양전지용 웨이퍼 및 셀은 대부분 해외 수입에 의존하고, 주변 부품 및 시스템 분야만 주로 발전했다(표 4 참조). 제조 원가 비중이 낮은 강화유리에서는 국산화가 60% 수준이지만, 제조원가의 75%인 태양전지 웨이퍼 및 셀의 국산화는 7%, 그 외 핵심 부품 국산화는 20% 이하로 매우 저조하다. 태양전지 산업이 친환경에너지, 에너지 안보, 미래 전략 산업 육성이란 면에서 그 중요성이 어느 때보다도 강조되고 있기 때문에, 정부는 보다 적극적으로 태양전지산업을 육성할 필요성이 있다. 특히, 태양전지 기술은 우리나라가 이미 세계 최고 수준의 기술을 확보하고 있는 디스플레이 관련 기술과 유사하기 때문에, 국내 태양전지 기술의 경쟁력 확보 및 발전 가능성은 지대하다고 판단된다. 태양전지 산업의 최대 이슈가 이른바 비용 절감이므로, 국내 기술 개발은 모듈의 저가화 및 고효율화, 내구성 강화 등의 연구개발에 중점을 두어야 하며, 인버터 및 주변기기의 설계 표준화, 규격화 등을 적극적으로 수행하여 설치비용 절감을 이루어야 한다. 이를 위하여 정부는 관련 산업에 대기업의 보다 적극적 참여를 유도하고, 중소벤처기업의 지원을 확대하여야 한다. 대기업은 태양광 흡수층 제조 기술과 같이 부가가치가 큰 핵심기술이면서 선진 기술로의 진입 장벽이 높은 분야의 보다 도전적인 투자가 요구되며, 중소벤처기업은 후공정 부분에 집중해야 할 것이다. 이러한 발전을 촉진하기 위하여 정부는 산학협력 연구개발의 장려와 태양전지 기술관련 표준화를 신속이 마련하여 관련 기술의 원활한 보급 확대가 이루어지도록 환경을 조성해야한다.
선진국들은 기존의 태양전지에 대한 핵심기술을 보유하고 기술 상용화를 추진하고 있다. 상대적으로 열악한 국내 기술이 현재의 선진국 기술 획득에 노력을 해야 하는 것도 사실이지만, 이러한 기술 수준 따라잡기에 주력한다면 세계 태양전지 산업의 선점은 힘들 것이다. 따라서 국내 태양전지 기술은 다음 두 가지 숙제를 해결해야 하는데, 첫째가 뒤처진 기존 태양전지의 기술력을 시급히 끌어올리는 것이고, 둘째가 원천기술 확보가 가능한 박막형 태양전지, 염료 감응형 태양전지와 같은 차세대 태양전지의 개발을 적극 추진해야 한다는 것이다. CdTe 태양전지 기술은 상대적으로 쉬운 제작공정과 낮은 제조단가, 높은 효율이 입증되었고 이미 많은 태양전지 시장을 선점한 상용화된 기술이다. 또한, CdTe를 기반으로 한 미래형 태양전지가 다양하게 제안되어 세계 여러 연구소에서 개발 중에 있음을 고려할 때, 상술한 숙제를 해결하는데 CdTe 태양전지가 강력한 후보가 될 수 있고, 기존 기술에 의한 시장 선점에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 미국의 First solar가 단기간에 CdTe 단일 품목으로 세계 최고의 박막형 태양전지 생산 업체로 선두가 된 점은 우리에게 시사하는 바가 크다. 즉, 태양전지 분야에서는 집중적인 기술 개발과 과감한 투자에 의해 산업적 가치가 지대한 기술을 단기간에 얻을 수 있다는 것이다. 이러한 "단기간"이란 장점은 선택과 집중 그리고 과감한 투자가 수반되어야 하므로 우후죽순적인 산발적 연구로는 불가능하다. 즉, 정부의 적극적인 지원과 효율적이고 체계적인 전략에 기초한 정부 주도형 대형과제에 만이 소기의 목적을 달성할 수 있다.
기대효과 및 파급효과
박막 태양전지란 전기를 발생시키기 위한 활성층으로 실리콘 웨이퍼 대신에 유리 등의 기판 위에 박막을 증착한 것으로서, 태양전지 제작에 필요한 반도체 재료의 양을 줄일 수 있어서 싼 가격으로 대면적의 태양전지 모듈을 제작할 수 있는 장점을 가지고 있다. 박막 태양전지 시장을 분야별, 소재별 시장으로 분류하여 예측한 결과 2013년까지 연평균 67%의 성장세를 이어나갈 것으로 예상되며, 2013년에는 전체 태양전지 시장중 22%를 차지할 것으로 전망되어, 차세대 성장동력산업으로 그 자리를 굳히고 있다. 그린피스와 유럽 태양광 산업협회 전망("SolarGeneration IV-2007")에 의하면 전세계 전기 소모량의 10%인 1,200GW를 2030년까지, 28%를 2040년까지 태양전지에 의해 보급할 수 있고, 2030년의 시장규모가 3,000억 달러에 이를 것으로 전망한다.
맺음말
박막 태양전지의 에너지변환효율 향상은 향후 태양전지 성장의 열쇠가 되고 있는데, 아직까지 낮은 수준에 머물고 있고, 기술 표준화가 이루어지지 않아 대량생산의 어려움도 있다. 특히, 실리콘 소재에 비해 재료물성과 소자에 대한 이해가 부족하여 이에 대한 많은 연구를 통하여 화합물 박막 태양전지가 가지고 있는 잠재력 구현을 위한 노력이 필요하다.
CdTe 태양전지의 기술적인 문제는 크게 CdS/CdTe 접합과 후면전극으로 나눌 수 있고, 효율 개선을 위한 투명전극 및 광투과층에 대한 활발한 연구가 필요하다. 앞으로 후면전극에서의 전기저항을 낮추고, CdTe층의 전기전도도 향상, CdS/CdTe 계면의 최적화, CdTe의 격자수와 비슷한 광투과층이 개발된다면 차세대 태양전지로서 각광받을 것이 확실하다. 따라서, 차세대 태양전지의 새로운 발굴을 위하여 이러한 분야의 연구개발이 체계화되어야 할 것이며 범국가적인 차원에서 대면적화를 통한 상용화를 추구해 나가야 할 것이다.
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