차세대 실리콘 태양전지의 기술개발 동향
2020-09-22
org.kosen.entty.User@f58d76a
조진연(george84)
1. 실리콘 태양전지 소개
최근 들어 전기차의 증가, Internet of things(IOT) 및 스마트 전자기기 제품들의 증가, 코로나로 인한 재택근무 및 화상회의, 클라우드의 사용 등으로 다양한 기기들이 전기를 사용하고 있다. 이런 기기 및 장치들을 통해 편리한 현대 시대의 삶을 영위할 수 있다. 특히 전기자동차는 배터리에 일반 가정집에서 5~7일 정도 사용할 수 있는 전기를 충전하기 때문에 전기자동차가 늘수록 전기 사용량이 급격하게 증가된다. 한편, 에너지 소비자들도 기후변화 및 공해로 인하여 환경적으로 영향을 덜 주는 안전한 에너지를 선호하는 성향이 점차 증가되고 있다.
늘어가는 전기 수요를 충당하기 위하여 좀 더 많은 발전소의 건립이 요구되고 있다. 최근 들어 화석연료 신규 발전소는 점차 감소되고 있고, 신재생에너지 신규 발전소 건립의 비율이 점차 커지고 있다. 이러한 신재생에너지 발전원으로의 이동이 더욱더 뚜렷해지고 있다[1]. 특히, 태양광이 2019년 전 세계 신규 에너지 발전원 중 49%를 차지하며 단연 높은 점유율을 나타내고 있다[2]. 그림 1에서 알 수 있듯이, 과거 2011년까지만 해도 태양광에너지는 상대적으로 비싼 에너지였기 때문에 정부 보조금에 의지해야 하는 상태였다(>1 USD/Wp). 하지만 태양광 모듈 업체 간 경쟁이 심화되고 태양전지 및 모듈 기술이 발전함에 따라 태양광 모듈 가격이 빠른 속도로 낮아졌다. 최근 에너지 발전원별 발전단가 비교 결과, 화석연료 에너지 발전과 비교하여 태양광발전이 단가가 동등 수준 혹은 오히려 더 저렴한 에너지 발전원으로 보고되고 있다[3].
2. 패시베이팅 콘택트 기술개발 동향
패시베이팅 콘택트는 크게 비정질실리콘을 이용한 콘택트 기술, 폴리실리콘을 이용한 콘택트 기술, 그리고 금속 합금 혹은 금속산화물을 이용한 콘택트 기술이 있다.
첫째로, 가장 예전부터 연구개발되어온 비정질실리콘을 이용한 이종접합 태양전지에 대해 알아보자. 그림 3에서 알 수 있듯이, Intrinsic 비정질실리콘과 n-type 혹은 p-type 비정질실리콘과의 적층 구조로 실리콘 표면에 증착한 뒤 투명전극을 그 위에 증착하는 방식으로 태양전지 콘택트를 만든다. 이 비정질실리콘을 통해 실리콘의 표면을 패시베이션하면서도 전자 혹은 정공을 추출해내는 콘택트 역할을 하고 있다. 콘택트 재결합 전류밀도가 10 fA/cm2 이하 수준으로 매우 낮아 현재 세계 최고 효율 태양전지는 이 기술을 기반으로 제작되었다[12].
최근 들어 전기차의 증가, Internet of things(IOT) 및 스마트 전자기기 제품들의 증가, 코로나로 인한 재택근무 및 화상회의, 클라우드의 사용 등으로 다양한 기기들이 전기를 사용하고 있다. 이런 기기 및 장치들을 통해 편리한 현대 시대의 삶을 영위할 수 있다. 특히 전기자동차는 배터리에 일반 가정집에서 5~7일 정도 사용할 수 있는 전기를 충전하기 때문에 전기자동차가 늘수록 전기 사용량이 급격하게 증가된다. 한편, 에너지 소비자들도 기후변화 및 공해로 인하여 환경적으로 영향을 덜 주는 안전한 에너지를 선호하는 성향이 점차 증가되고 있다.
늘어가는 전기 수요를 충당하기 위하여 좀 더 많은 발전소의 건립이 요구되고 있다. 최근 들어 화석연료 신규 발전소는 점차 감소되고 있고, 신재생에너지 신규 발전소 건립의 비율이 점차 커지고 있다. 이러한 신재생에너지 발전원으로의 이동이 더욱더 뚜렷해지고 있다[1]. 특히, 태양광이 2019년 전 세계 신규 에너지 발전원 중 49%를 차지하며 단연 높은 점유율을 나타내고 있다[2]. 그림 1에서 알 수 있듯이, 과거 2011년까지만 해도 태양광에너지는 상대적으로 비싼 에너지였기 때문에 정부 보조금에 의지해야 하는 상태였다(>1 USD/Wp). 하지만 태양광 모듈 업체 간 경쟁이 심화되고 태양전지 및 모듈 기술이 발전함에 따라 태양광 모듈 가격이 빠른 속도로 낮아졌다. 최근 에너지 발전원별 발전단가 비교 결과, 화석연료 에너지 발전과 비교하여 태양광발전이 단가가 동등 수준 혹은 오히려 더 저렴한 에너지 발전원으로 보고되고 있다[3].
2. 패시베이팅 콘택트 기술개발 동향
패시베이팅 콘택트는 크게 비정질실리콘을 이용한 콘택트 기술, 폴리실리콘을 이용한 콘택트 기술, 그리고 금속 합금 혹은 금속산화물을 이용한 콘택트 기술이 있다.
첫째로, 가장 예전부터 연구개발되어온 비정질실리콘을 이용한 이종접합 태양전지에 대해 알아보자. 그림 3에서 알 수 있듯이, Intrinsic 비정질실리콘과 n-type 혹은 p-type 비정질실리콘과의 적층 구조로 실리콘 표면에 증착한 뒤 투명전극을 그 위에 증착하는 방식으로 태양전지 콘택트를 만든다. 이 비정질실리콘을 통해 실리콘의 표면을 패시베이션하면서도 전자 혹은 정공을 추출해내는 콘택트 역할을 하고 있다. 콘택트 재결합 전류밀도가 10 fA/cm2 이하 수준으로 매우 낮아 현재 세계 최고 효율 태양전지는 이 기술을 기반으로 제작되었다[12].