무기 박막 태양전지 소재 및 소자의 연구개발 동향
2019-12-05
org.kosen.entty.User@2bc93685
신동협(dhshin82)
1. 개요
2015년 유엔 기후변화 회의에서 채택된 파리 기후 협정은 지구의 평균 온도 상승 폭을 궁극적으로 산업화 이전 대비 1.5℃ 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. 한국은 2030년 온실가스 배출 전망치의 37% 감축을 이행하기 위해서 다양한 청정한 에너지원의 개발 및 에너지효율 증대에 힘쓰고 있다. 이런 목표 달성의 핵심 기술로 신재생에너지 중 태양광 발전에 대한 기술이 최근까지 상당한 각광을 받고 있다. 태양광 발전은 산업혁명 이후 급격하게 사용된 화석연료 대신 햇빛의 에너지를 반도체 소자를 통하여 전류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법이다. 이를 위하여 여러 개의 태양전지로 구성된 태양광 모듈을 이용한다. 따라서 P/N 반도체 소자인 태양전지의 에너지변환효율(이후 ‘효율’로 축약하여 기재)을 증대시키는 것이 가장 중요하다. 일반적으로 태양전지의 효율은 빛을 흡수하여 전하를 생산하는 소재의 광반응 특성과 품질에 의해 크게 좌우된다고 알려져 있다. 그래서 아래의 그림 1처럼 전통적으로 태양전지는 소재에 따라 실리콘(Silicon) 및 비실리콘 태양전지로 분류하거나, 소재의 형태에 따라 결정질 실리콘 및 박막 태양전지로 구분된다. 또한 유기 및 유/무기 하이브리드 소재도 차세대 태양전지로 활발히 연구개발되고 있다.
그림 1. 소재에 따른 태양전지 분류도
최근 태양광 발전의 보급 확산에 따라 기존의 중앙집중식(예, 화력발전, 원자력발전)에서 분산발전형태로 전력공급 방식의 패러다임이 변화되고 있으며, 인구 및 건물이 밀집된 대도시에 적합한 친환경 에너지원에 대한 요구와 함께 건물에서 직접 전기 생산과 절감을 효율적으로 해결할 수 있는 제로에너지 건축물에 대한 수요도 증가하고 있다. 이런 상황에 의해 아래 그림 2와 같이 건축물일체형 태양전지(BIPV: building-intergared photovoltaics)의 시장이 급속하게 성장하고 있다. 기존의 BIPV는 건축물에서 에너지 생산의 극대화에 초점이 맞추어져 심미성이 떨어지는 단점이 있어 이를 보완하는 박막 태양전지의 활용이 점차적으로 증가하는 추세를 보이고 있다. 박막 태양전지는 심미성이 뛰어나고 경량형이며, 유연성이 뛰어나 건축물의 다양한 공간(예 지붕, 외벽, 창호 등)에 적용도 가능하여 최근 상당히 주목을 받고 있다.
그림 2. 태양광 발전 및 BIPV 시장의 연도별 전망 추이
본 보고서에서는 최근 BIPV용으로 주목을 받고 있는 박막 태양전지의 소재와 연구개발 동향에 대해 소개할 예정이다. 상기 그림 1의 태양전지 분류도에서도 나타나 있듯이, 박막 태양전지에는 현재 양산화가 이루어진 무기계 실리콘 및 화합물 소재가 있으며, 차세대 태양전지로 활발히 연구개발되고 있는 유무기 하이브리드 소재도 있다. 이런 소재별 태양전지의 주요기술과 전망에 대해 기술할 것이다.
2. 박막 태양전지 현황
2.1. 실리콘 박막 태양전지
웨이퍼기반의 결정질 실리콘 태양전지와 달리 얇은 박막을 이용하는 비정질 실리콘 박막 태양전지는 재료비의 비중이 55%정도로 적어 제조비용을 절감할 수 있다[1]. 1976년 1~2%의 효율을 가지는 실리콘 박막 태양전지가 세계최초로 개발되었고, 1979년 Shanyo사는 이를 전자계산기에 적용하여 상업적으로 잘 응용하였다. 이후 TFT-LCD 기술의 발달과 더불어 실리콘 박막 태양전지의 효율도 점진적으로 상승하였다. 무엇보다도 에너지밴드갭이 다른 흡수층을 가진 실리콘 박막 태양전지를 적층함으로써 삼중접합 태양전지에서 LG전자는 13.4%, 일본 AIST에서는 14%의 고효율을 성공적으로 달성하였다.
실리콘 박막 태양전지는 적층되는 태양전지의 수에 따라 효율이 크게 영향을 받는다. 아래의표 1처럼 단일접합 태양전지는 실리콘 박막에 주입되는 수소의 함량에 의존하는 비정질(Amorphous) 실리콘 혹은 마이크로 실리콘의 박막을 광흡수층으로 사용하며 효율은 10~11%으로 비교적 작다. 이중접합 태양전지는 비정질 실리콘(상부층)과 마이크로 실리콘(하부층) 박막을 모두 광흡수층으로 사용하며 효율은 12% 이상으로 상대적으로 높지만 공정이 복잡해져 제조비용이 상승한다. 마지막으로 삼중접합 태양전지의 경우, 비정질 실리콘(상부층), 저마늄(Germanium)이 포함된 비정질 실리콘(중간층), 그리고 마이크로 실리콘(하부층) 박막의 광흡수층으로 구성되며 효율은 13% 이상으로 가장 높다. 하지만 수소화 처리된 비정질 실리콘 박막의 열화에 따른 태양전지 효율저하의 근원적인 문제에 의해 2011년 이후 계속적으로 태양전지 생산량은 감소하였고, 2017년에는 0.3 GWp가 생산되었다[2].
표 1. 단일접합 및 다중접합 실리콘 박막 태양전지 및 모듈의 효율[3].
2.2. Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지와 달리 직접천이형 반도체로 큰 흡수계수를 가지고 있어 1~2 μm의 두께에서도 빛을 충분히 흡수할 수 있다. 이런 장점에 의해 1970년대 처음 박막 태양전지 제조기술이 보고된 이래 지속적인 연구개발을 통해 유리기판에서 제조된 CIGS 박막 태양전지는 23.35%의 세계최고효율을 달성하였다. 그리고 대면적 모듈에서도 18% 이상의 고효율을 다수의 제조사에서 달성하였다. 무엇보다도 플렉서블 기판을 이용할 경우, 플렉서블 태양전지의 구현이 가능한 장점을 가지고 있다. 현재 플렉서블 CIGS 태양전지의 경우, 폴리이미드 기판을 사용하는 태양전지에서 20.8%의 효율을 달성하였고, 스테인레스 스틸 기판을 사용하는 태양전지에서도 20% 이상의 고효율을 보고하였다. 아래의 그림 3에는 대표적인 CIGS 박막 태양전지 연구기관 및 제조사에서 보고한 태양전지의 크기별 기판소재별 효율을 정리하였다.
그림 3. CIGS 박막 태양전지의 대표 연구기관 및 제조사에서 보고한 크기별 기판소재별 태양전지 및 모듈의 효율 그리고 관련 플렉서블 제품의 이미지
CIGS 박막 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 이종의 박막들이 접합되는 구조를 가지고 있으며, CIGS 박막 태양전지의 효율은 CIGS 화학적 조성제어와 알칼리 도핑기술에 의해 크게 영향을 받는다[4]. 미국 NREL에 의해 고품질 CIGS 박막을 증착할 수 있는 3단계법이 정립되었고, CIGS 박막 태양전지의 개방전압과 단락전류밀도를 최대화할 수 있는 Ga 조성분포 제어(즉 에너지밴드갭 제어)에 대한 최적화도 이루어졌다. 그 결과, NREL에서 처음으로 20%의 효율을 보고하였다. 이후 스위스 EMPA 그룹에서 CIGS 박막의 결함들을 효과적으로 패시배이션할 수 있는 알칼리 후속처리(alkali post-deposition treatment) 기술을 소개하였고, 이를 통해 20% 이상의 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 제조의 길을 열었다[5]. 현재 대부분의 CIGS 박막 태양전지 제조사에서는 알칼리 후속처리를 적용하고 있다. 현재 CIGS 박막 태양전지의 경량, 플렉서블 특성에 의해 BIPV 및 기와(shingle) 등에 적용되고 있다.
2.3. CdTe 박막 태양전지
CdTe 박막 태양전지는 CIGS 박막 태양전지와 같은 직접천이형 반도체이고, 이론적으로 최적의 에너지밴드갭으로 알려진 1.45 eV을 가지고 있다. 그리고 p형 CdTe 반도체에 n형 CdS가 접합되는 구조를 가지고 있는 superstrate 타입의 태양전지이다. 미국 NREL에서 16.4%의 효율을 달성한 이후, 독성물질인 카드뮴의 다량 사용에 대한 환경규제로 연구개발이 한동안 제한되었다. 그럼에도 불구하고 미국 First Solar에서는 대량생산에 용이한 VTD(Vapor Transport Deposition) 공정을 적용하여 태양전지에서 22.1%와 모듈에서 18.6%의 세계최고효율을 경신하였다. 이를 바탕으로 2008년에는 생산량 측면에서 전체 태양전지 제조사 중 2위를 기록하였고, 현재 연 2 GW 정도의 생산력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그래서 박막 태양전지 중 가장 양산성이 뛰어난 태양전지로 인정받고 있다.
CdTe 박막 태양전지의 효율은 매우 큰 일함수를 가지는 CdTe 층과 오믹접촉(Ohmic contact)을 형성하는 기술에 크게 영향을 받는다[6]. 초기 오믹접촉을 형성하기 위해서 비교적 일함수가 큰 귀금속(예 금, 은)을 증착하거나 구리를 CdTe 표면에 도핑함으로써 P+층을 형성하는 방법이 일반적이었다. 현재 First Solar에서는 Cu가 포함된 ZnTe 후면전극을 모듈에 사용하고 있다. 또한 CIGS 박막 태양전지에서 개방전압과 단락전류밀도를 극대화하기 위한 방법으로 Ga 조성분포를 제어하듯이 CdTe에서는 Se의 분포를 제어하는 방법을 사용하고 있다. 구체적인 First Solar의 제조 공정기술은 홈페이지(http://www.firstsolar.com/Modules/Series-4)에 동영상으로 자세히 설명되어 있다.
2.4. 차세대 박막 태양전지
차세대 박막 태양전지 소재에는 유기물과 최근 각광을 받고 있는 페로브스카이(Perovskite) 구조의 유/무기 하이브리드 금속할라이드가 대표적이다. 아직까지는 소재의 장기안정성 미확보로 실험실 수준에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 흥미롭게도 페로브스카이트 구조의 유무기 금속할라이드(예, MAPbI3 등) 소재는 한국화학연구원/MIT 그룹에 의해 25.2%의 세계최고효율을 달성하였고[7], 이는 결정질 실리콘 태양전지 세계최고효율인 26.1%에 버금가는 수준에 해당된다. 또한 결정질 실리콘 태양전지 위에 상부태양전지로 적층하였을 때, 28%의 고효율을 보고하였다. 이런 측면에서 소재의 장기안정성과 중금속인 납원소의 사용에 대한 문제점들이 해결된다면 추후 상당히 경쟁력이 있는 태양전지로 자리잡을 것으로 기대된다.
3. 결론
신재생에너지 중 태양광 발전은 화석연료에 기반한 발전단가보다 저렴한 구간으로 점진적으로 진입하고 있다. 즉 태양광 발전은 몇몇 지역에서 그리디 패리티(grid parity)를 달성하였다. 특히 과밀한 도시와 같이 공간적인 제약이 심한 곳에도 청정한 에너지원을 사용하기 위해 태양전지를 건축물에 설치하고 있으며 이와 관련된 BIPV 시장이 최근 상당히 각광을 받고 있다. 차세대 BIPV는 건축물의 심미성을 해치지 않으면서 다양한 건축물의 공간을 효과적으로 사용하기 위해서 경량형이며 플렉서블한 박막 태양전지를 적극적으로 활용하고 있다. 대표적인 박막 태양전지에는 실리콘, CIGS, CdTe 및 유/무기 하이브리드 박막 등이 있다. 현재 실리콘, CIGS, CdTe 박막 태양전지는 양산화가 이루어져 시장을 형성하고 있다. 하지만 각 박막 태양전지가 가지고 있는 장단점에 의해 생산량의 변동폭이 큰 편이다. 첫째, 실리콘 박막 태양전지는 실리콘 물질에 대한 깊은 이해와 메모리 및 디스플레이스 산업에서 고도화된 실리콘 증착기술의 도입에 힘입어 초기 빠르게 모바일 기기 및 창호형 등으로 실생활에 적용되었으나, 근원적인 태양전지 열화문제로 인해 생산량이 계속적으로 감소하고 있으며 동력을 잃어가는 모습을 보이고 있다. 둘째, CIGS 박막 태양전지의 경우, 상당히 높은 고효율과 경량 플렉서블 태양전지의 구현의 용이한 장점으로 최근 BIPV 태양전지용으로 큰 관심을 모으고 있지만, 제조공정과 소자구조의 복잡성으로 제조단가 절감을 극복해야하는 숙제를 안고 있다. 셋째 CdTe 박막 태양전지는 CIGS 박막 태양전지와 같이 고효율을 보이지만, 독성물질인 카드뮴 사용에 따른 환경제약으로 BIPV의 적용은 쉽지 않을 것으로 생각된다. 하지만 제조단가가 저렴하여 발전소용으로는 상당히 보급되었다. 마지막으로 페로브스카이트 구조의 유/무기 하이브리드 금속할라이드 태양전지는 장기안정성이 확보되지 않았고, 납을 사용하는 문제점이 있기 때문에 이런 요소들이 우선적으로 해결되어야 BIPV 혹은 발전용 시장에서 두각을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
References
1. 이헌민, 실리콘 박막 태양전지 기술, 물리학과 첨단기술, 15-19, 2008.
2. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Photovoltaics Report, Nov. 2019. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
3. Meillaud, F. et al., Recent advances and remaining challenges in thin-film silicon photovoltaic technology, Materials Today, 18, 378-384, 2015.
4. 신동협 외 9명, BIPV 응용을 위한 플렉서블 Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지의 연구현황 및 전망. 태양광발전학회지, 3, 8-17, 2017.
5. Chirila, A. et al., Potassium-induced surface modification of Cu(In,Ga)Se2 thin films for high-efficiency solar cells, Nature Materials, 12, 1107-1111, 2013.
6. 윤재호, 화합물 박막 태양전지, 물리학과 첨단기술, 20-24, 2008.
7. National Renewable Energy Laboratory, Best Research-Cell Efficiency Chart, 2019. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html
2015년 유엔 기후변화 회의에서 채택된 파리 기후 협정은 지구의 평균 온도 상승 폭을 궁극적으로 산업화 이전 대비 1.5℃ 이하로 유지하는 것을 목표로 한다. 한국은 2030년 온실가스 배출 전망치의 37% 감축을 이행하기 위해서 다양한 청정한 에너지원의 개발 및 에너지효율 증대에 힘쓰고 있다. 이런 목표 달성의 핵심 기술로 신재생에너지 중 태양광 발전에 대한 기술이 최근까지 상당한 각광을 받고 있다. 태양광 발전은 산업혁명 이후 급격하게 사용된 화석연료 대신 햇빛의 에너지를 반도체 소자를 통하여 전류 전기로 바꾸어 전력을 생산하는 발전 방법이다. 이를 위하여 여러 개의 태양전지로 구성된 태양광 모듈을 이용한다. 따라서 P/N 반도체 소자인 태양전지의 에너지변환효율(이후 ‘효율’로 축약하여 기재)을 증대시키는 것이 가장 중요하다. 일반적으로 태양전지의 효율은 빛을 흡수하여 전하를 생산하는 소재의 광반응 특성과 품질에 의해 크게 좌우된다고 알려져 있다. 그래서 아래의 그림 1처럼 전통적으로 태양전지는 소재에 따라 실리콘(Silicon) 및 비실리콘 태양전지로 분류하거나, 소재의 형태에 따라 결정질 실리콘 및 박막 태양전지로 구분된다. 또한 유기 및 유/무기 하이브리드 소재도 차세대 태양전지로 활발히 연구개발되고 있다.
그림 1. 소재에 따른 태양전지 분류도
최근 태양광 발전의 보급 확산에 따라 기존의 중앙집중식(예, 화력발전, 원자력발전)에서 분산발전형태로 전력공급 방식의 패러다임이 변화되고 있으며, 인구 및 건물이 밀집된 대도시에 적합한 친환경 에너지원에 대한 요구와 함께 건물에서 직접 전기 생산과 절감을 효율적으로 해결할 수 있는 제로에너지 건축물에 대한 수요도 증가하고 있다. 이런 상황에 의해 아래 그림 2와 같이 건축물일체형 태양전지(BIPV: building-intergared photovoltaics)의 시장이 급속하게 성장하고 있다. 기존의 BIPV는 건축물에서 에너지 생산의 극대화에 초점이 맞추어져 심미성이 떨어지는 단점이 있어 이를 보완하는 박막 태양전지의 활용이 점차적으로 증가하는 추세를 보이고 있다. 박막 태양전지는 심미성이 뛰어나고 경량형이며, 유연성이 뛰어나 건축물의 다양한 공간(예 지붕, 외벽, 창호 등)에 적용도 가능하여 최근 상당히 주목을 받고 있다.
그림 2. 태양광 발전 및 BIPV 시장의 연도별 전망 추이
본 보고서에서는 최근 BIPV용으로 주목을 받고 있는 박막 태양전지의 소재와 연구개발 동향에 대해 소개할 예정이다. 상기 그림 1의 태양전지 분류도에서도 나타나 있듯이, 박막 태양전지에는 현재 양산화가 이루어진 무기계 실리콘 및 화합물 소재가 있으며, 차세대 태양전지로 활발히 연구개발되고 있는 유무기 하이브리드 소재도 있다. 이런 소재별 태양전지의 주요기술과 전망에 대해 기술할 것이다.
2. 박막 태양전지 현황
2.1. 실리콘 박막 태양전지
웨이퍼기반의 결정질 실리콘 태양전지와 달리 얇은 박막을 이용하는 비정질 실리콘 박막 태양전지는 재료비의 비중이 55%정도로 적어 제조비용을 절감할 수 있다[1]. 1976년 1~2%의 효율을 가지는 실리콘 박막 태양전지가 세계최초로 개발되었고, 1979년 Shanyo사는 이를 전자계산기에 적용하여 상업적으로 잘 응용하였다. 이후 TFT-LCD 기술의 발달과 더불어 실리콘 박막 태양전지의 효율도 점진적으로 상승하였다. 무엇보다도 에너지밴드갭이 다른 흡수층을 가진 실리콘 박막 태양전지를 적층함으로써 삼중접합 태양전지에서 LG전자는 13.4%, 일본 AIST에서는 14%의 고효율을 성공적으로 달성하였다.
실리콘 박막 태양전지는 적층되는 태양전지의 수에 따라 효율이 크게 영향을 받는다. 아래의표 1처럼 단일접합 태양전지는 실리콘 박막에 주입되는 수소의 함량에 의존하는 비정질(Amorphous) 실리콘 혹은 마이크로 실리콘의 박막을 광흡수층으로 사용하며 효율은 10~11%으로 비교적 작다. 이중접합 태양전지는 비정질 실리콘(상부층)과 마이크로 실리콘(하부층) 박막을 모두 광흡수층으로 사용하며 효율은 12% 이상으로 상대적으로 높지만 공정이 복잡해져 제조비용이 상승한다. 마지막으로 삼중접합 태양전지의 경우, 비정질 실리콘(상부층), 저마늄(Germanium)이 포함된 비정질 실리콘(중간층), 그리고 마이크로 실리콘(하부층) 박막의 광흡수층으로 구성되며 효율은 13% 이상으로 가장 높다. 하지만 수소화 처리된 비정질 실리콘 박막의 열화에 따른 태양전지 효율저하의 근원적인 문제에 의해 2011년 이후 계속적으로 태양전지 생산량은 감소하였고, 2017년에는 0.3 GWp가 생산되었다[2].
표 1. 단일접합 및 다중접합 실리콘 박막 태양전지 및 모듈의 효율[3].
2.2. Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지
Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지와 달리 직접천이형 반도체로 큰 흡수계수를 가지고 있어 1~2 μm의 두께에서도 빛을 충분히 흡수할 수 있다. 이런 장점에 의해 1970년대 처음 박막 태양전지 제조기술이 보고된 이래 지속적인 연구개발을 통해 유리기판에서 제조된 CIGS 박막 태양전지는 23.35%의 세계최고효율을 달성하였다. 그리고 대면적 모듈에서도 18% 이상의 고효율을 다수의 제조사에서 달성하였다. 무엇보다도 플렉서블 기판을 이용할 경우, 플렉서블 태양전지의 구현이 가능한 장점을 가지고 있다. 현재 플렉서블 CIGS 태양전지의 경우, 폴리이미드 기판을 사용하는 태양전지에서 20.8%의 효율을 달성하였고, 스테인레스 스틸 기판을 사용하는 태양전지에서도 20% 이상의 고효율을 보고하였다. 아래의 그림 3에는 대표적인 CIGS 박막 태양전지 연구기관 및 제조사에서 보고한 태양전지의 크기별 기판소재별 효율을 정리하였다.
그림 3. CIGS 박막 태양전지의 대표 연구기관 및 제조사에서 보고한 크기별 기판소재별 태양전지 및 모듈의 효율 그리고 관련 플렉서블 제품의 이미지
CIGS 박막 태양전지는 실리콘 태양전지와 달리 이종의 박막들이 접합되는 구조를 가지고 있으며, CIGS 박막 태양전지의 효율은 CIGS 화학적 조성제어와 알칼리 도핑기술에 의해 크게 영향을 받는다[4]. 미국 NREL에 의해 고품질 CIGS 박막을 증착할 수 있는 3단계법이 정립되었고, CIGS 박막 태양전지의 개방전압과 단락전류밀도를 최대화할 수 있는 Ga 조성분포 제어(즉 에너지밴드갭 제어)에 대한 최적화도 이루어졌다. 그 결과, NREL에서 처음으로 20%의 효율을 보고하였다. 이후 스위스 EMPA 그룹에서 CIGS 박막의 결함들을 효과적으로 패시배이션할 수 있는 알칼리 후속처리(alkali post-deposition treatment) 기술을 소개하였고, 이를 통해 20% 이상의 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 제조의 길을 열었다[5]. 현재 대부분의 CIGS 박막 태양전지 제조사에서는 알칼리 후속처리를 적용하고 있다. 현재 CIGS 박막 태양전지의 경량, 플렉서블 특성에 의해 BIPV 및 기와(shingle) 등에 적용되고 있다.
2.3. CdTe 박막 태양전지
CdTe 박막 태양전지는 CIGS 박막 태양전지와 같은 직접천이형 반도체이고, 이론적으로 최적의 에너지밴드갭으로 알려진 1.45 eV을 가지고 있다. 그리고 p형 CdTe 반도체에 n형 CdS가 접합되는 구조를 가지고 있는 superstrate 타입의 태양전지이다. 미국 NREL에서 16.4%의 효율을 달성한 이후, 독성물질인 카드뮴의 다량 사용에 대한 환경규제로 연구개발이 한동안 제한되었다. 그럼에도 불구하고 미국 First Solar에서는 대량생산에 용이한 VTD(Vapor Transport Deposition) 공정을 적용하여 태양전지에서 22.1%와 모듈에서 18.6%의 세계최고효율을 경신하였다. 이를 바탕으로 2008년에는 생산량 측면에서 전체 태양전지 제조사 중 2위를 기록하였고, 현재 연 2 GW 정도의 생산력을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 그래서 박막 태양전지 중 가장 양산성이 뛰어난 태양전지로 인정받고 있다.
CdTe 박막 태양전지의 효율은 매우 큰 일함수를 가지는 CdTe 층과 오믹접촉(Ohmic contact)을 형성하는 기술에 크게 영향을 받는다[6]. 초기 오믹접촉을 형성하기 위해서 비교적 일함수가 큰 귀금속(예 금, 은)을 증착하거나 구리를 CdTe 표면에 도핑함으로써 P+층을 형성하는 방법이 일반적이었다. 현재 First Solar에서는 Cu가 포함된 ZnTe 후면전극을 모듈에 사용하고 있다. 또한 CIGS 박막 태양전지에서 개방전압과 단락전류밀도를 극대화하기 위한 방법으로 Ga 조성분포를 제어하듯이 CdTe에서는 Se의 분포를 제어하는 방법을 사용하고 있다. 구체적인 First Solar의 제조 공정기술은 홈페이지(http://www.firstsolar.com/Modules/Series-4)에 동영상으로 자세히 설명되어 있다.
2.4. 차세대 박막 태양전지
차세대 박막 태양전지 소재에는 유기물과 최근 각광을 받고 있는 페로브스카이(Perovskite) 구조의 유/무기 하이브리드 금속할라이드가 대표적이다. 아직까지는 소재의 장기안정성 미확보로 실험실 수준에서 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 흥미롭게도 페로브스카이트 구조의 유무기 금속할라이드(예, MAPbI3 등) 소재는 한국화학연구원/MIT 그룹에 의해 25.2%의 세계최고효율을 달성하였고[7], 이는 결정질 실리콘 태양전지 세계최고효율인 26.1%에 버금가는 수준에 해당된다. 또한 결정질 실리콘 태양전지 위에 상부태양전지로 적층하였을 때, 28%의 고효율을 보고하였다. 이런 측면에서 소재의 장기안정성과 중금속인 납원소의 사용에 대한 문제점들이 해결된다면 추후 상당히 경쟁력이 있는 태양전지로 자리잡을 것으로 기대된다.
3. 결론
신재생에너지 중 태양광 발전은 화석연료에 기반한 발전단가보다 저렴한 구간으로 점진적으로 진입하고 있다. 즉 태양광 발전은 몇몇 지역에서 그리디 패리티(grid parity)를 달성하였다. 특히 과밀한 도시와 같이 공간적인 제약이 심한 곳에도 청정한 에너지원을 사용하기 위해 태양전지를 건축물에 설치하고 있으며 이와 관련된 BIPV 시장이 최근 상당히 각광을 받고 있다. 차세대 BIPV는 건축물의 심미성을 해치지 않으면서 다양한 건축물의 공간을 효과적으로 사용하기 위해서 경량형이며 플렉서블한 박막 태양전지를 적극적으로 활용하고 있다. 대표적인 박막 태양전지에는 실리콘, CIGS, CdTe 및 유/무기 하이브리드 박막 등이 있다. 현재 실리콘, CIGS, CdTe 박막 태양전지는 양산화가 이루어져 시장을 형성하고 있다. 하지만 각 박막 태양전지가 가지고 있는 장단점에 의해 생산량의 변동폭이 큰 편이다. 첫째, 실리콘 박막 태양전지는 실리콘 물질에 대한 깊은 이해와 메모리 및 디스플레이스 산업에서 고도화된 실리콘 증착기술의 도입에 힘입어 초기 빠르게 모바일 기기 및 창호형 등으로 실생활에 적용되었으나, 근원적인 태양전지 열화문제로 인해 생산량이 계속적으로 감소하고 있으며 동력을 잃어가는 모습을 보이고 있다. 둘째, CIGS 박막 태양전지의 경우, 상당히 높은 고효율과 경량 플렉서블 태양전지의 구현의 용이한 장점으로 최근 BIPV 태양전지용으로 큰 관심을 모으고 있지만, 제조공정과 소자구조의 복잡성으로 제조단가 절감을 극복해야하는 숙제를 안고 있다. 셋째 CdTe 박막 태양전지는 CIGS 박막 태양전지와 같이 고효율을 보이지만, 독성물질인 카드뮴 사용에 따른 환경제약으로 BIPV의 적용은 쉽지 않을 것으로 생각된다. 하지만 제조단가가 저렴하여 발전소용으로는 상당히 보급되었다. 마지막으로 페로브스카이트 구조의 유/무기 하이브리드 금속할라이드 태양전지는 장기안정성이 확보되지 않았고, 납을 사용하는 문제점이 있기 때문에 이런 요소들이 우선적으로 해결되어야 BIPV 혹은 발전용 시장에서 두각을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
References
1. 이헌민, 실리콘 박막 태양전지 기술, 물리학과 첨단기술, 15-19, 2008.
2. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Photovoltaics Report, Nov. 2019. https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
3. Meillaud, F. et al., Recent advances and remaining challenges in thin-film silicon photovoltaic technology, Materials Today, 18, 378-384, 2015.
4. 신동협 외 9명, BIPV 응용을 위한 플렉서블 Cu(In,Ga)Se2 박막 태양전지의 연구현황 및 전망. 태양광발전학회지, 3, 8-17, 2017.
5. Chirila, A. et al., Potassium-induced surface modification of Cu(In,Ga)Se2 thin films for high-efficiency solar cells, Nature Materials, 12, 1107-1111, 2013.
6. 윤재호, 화합물 박막 태양전지, 물리학과 첨단기술, 20-24, 2008.
7. National Renewable Energy Laboratory, Best Research-Cell Efficiency Chart, 2019. https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html