화합물반도체
박막태양광발전 기술과 산업동향
1. 무한, 청정기술인 태양광발전
태양광 에너지는 지구에서 얻을 수 있는 가장 풍부하고 고갈의 염려가 없는 에너지원이다. 태양으로부터 지표면에 공급되는 에너지는 청명한 날 1 제곱 미터당 1,000W의 전력(AM1.5)이며, 총량은 현재 인류가 사용하는 에너지 총량인 12 테라와트(TW)의 약10,000 배에 해당하는 약 12만 TW이다. 이와 같이 태양광 에너지는 재생에너지 중 가장 풍부한 자원으로서 미래에 지배적으로 사용될 수 있는 에너지원이 될 수 있다.
태양전지는 광기전효과(photovoltaic effect)를 이용하여 p-n 이종 접합 반도체 다이오드에 빛을 쪼여 전기를 생성하는 반도체 소자이다. 태양광을 직접 전기로 변환하기 때문에 빛을 전기에너지로 전환하는 과정에서 찌꺼기나 공해물질이 전혀 발생하지 않는다. 즉, 태양광발전은 화석연료와 달리 지구온난화 주범으로 알려진 탄소배출이 전혀 없는 청정한 에너지 기술이다. 이와 같이, 태양광 발전은 무한한 에너지원과 청정한 에너지 변환기술 때문에 차세대 인류의 에너지 문제를 해결해 줄 수 있는 방안으로 인식되고 있어 지금 세계적으로 뜨거운 관심을 모으고 있다.
가. 소재별 태양전지 기술 분류
지금까지 개발된 태양전지는 광흡수체의 소재에 따라 다양한 분류를 보이고 있다. <그림 1>은 광전변환 소재에 따른 태양전지 기술의 계통도이다. 가장 크게는 실리콘과 비실리콘으로 나눌 수 있으며, 사용되는 반도체 소재의 형상에 따라 결정형(입체형)과 박막형(평면형)으로 구별된다. 결정형으로는 단결정(mono-crystalline) 실리콘 태양전지, 다결정(polycrystalline) 실리콘 태양전지 및 GaAs기반의 III-V 화합물 반도체 태양전지가 있다. 한편, 박막형으로는 비정질(amorphous) 실리콘(a-Si), 다결정(poly-crystalline) 화합물 반도체 태양전지가 있다. 화합물 반도체는 구리-인듐-갈륨-셀레늄 (CulrGaSe2 혹은 CIGS)과 카드뮴 텔루라이드(CdTe)가 널리 알려져 있다. 이와 더불어 식물의 광합성을 모방한 유기물 및 무기물 소재로서 전도성 염료(dye)와 폴리머 등의 다양한 소재가 있으며, 차세대기술로서 연구 개발되고 있다.
그림 1. 광흡수 소재와 형상에 따른 태양전지 기술 분류
자료: YOLE 2008 수정
나. 결정형 대 박막형 태양전지 비교
결정형과 박막형 태양전지는 태양전지 모듈 생산과정에 있어서 가장 큰 차이를 보인다 <그림 2>. 결정형 태양전지가 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 반면 박막형 태양전지는 기판(유리나 금속포일 등) 위에 형성한 소재 박막을 기반으로 한다는 점이 다르다. 결정(다결정 및 단결정) 실리콘 태양전지 모듈을 만들기 위해서는 실리콘 원소재 => 잉곳 => 웨이퍼 => 셀 => 모듈 단계로 제작되는 과정이 필수적으로 필요하다. 따라서, 각 단계별로 서로 유기적인 기술 연관관계가 이루어져야만 한다. 이 산업관계가 가치사슬이며, 기술관계를 수직계열화라고 한다. 이에 비교하여 박막형 태양전지 모듈은 반도체 박막을 이용하기 때문에 박막 형성, 셀 및 모듈 제작 등을 한 장소에서 모두 해결할 수 있다. 즉, 결정형 태양전지처럼 각 공정들이 독립적인 산업을 형성할 수 있는 것이 아니라 일련의 공정이 일괄적으로 동시에 그리고 동일한 장소에서 수행될 수 있다. 그렇기 때문에 공정단계가 매우 단순하다. 또한, 태양전지의 박막을 순차적으로 입혀가는 도중에 셀 분할을 하여 태양전지 모듈 제작을 동시에 수행할 수 있는데 이를 모노리식 집적화(monolithic integration)라고 한다. 아울러 소재의 박막 특성은 기판 소재의 형태에 구애 받지 않는다. 즉, 구부림이 가능한 유연기판도 사용될 수 있어서 모양이 편평하지 않은 태양전지 모듈의 활용성이 매우 높은 제품도 생산 가능하다는 장점이 있다.
그림 2. 결정형과 박막형 태양전지 모듈의 기술 비교
자료: YOLE 2008 수정
산업적으로는 태양전지를 에너지 전환 효율과 제조 비용에 따라 다음과 같은 세대로 구별하고 있다. 1세대는 결정형(다결정 및 단결정) Si 태양전지로서 현재 가장 성숙된 기술 분야이고, 2세대는 박막형 반도체(a-Si, CdTe, CIGS) 태양전지로서 에너지 전환효율은 다소 떨어지지만 제조 비용이 훨씬 저렴할 것으로 예상되고 있는 차세대 기술이며, 3세대는 식물의 광합성과 같은 기존의 반도체와는 다른 메커니즘을 이용하여 광.전 변환을 만들어 내는 유기물 등 신재료 및 신개념 태양전지 기술이다. 일반적으로 1세대 결정형 Si 태양전지 모듈은 약15~18%의 모듈 효율을 내고 있는 반면, 2세대 박막형 화합물반도체 7~12%, 3세대 태양전지는 5% 에너지 전환효율 대를 기록하고 있다. 그러나 신개념 태양전지 소자는 30% 이상의 월등히 높은 에너지 전환효율과 가장 저렴한 생산비용을 예상하는 미래의 기술이다.
결정형 실리콘 태양전지에 비하여 박막형 화합물 반도체 소재는 기판소재 위에 박막의 형태로 제조가 된다는 점이 다르며, 또한, 그 제조 비용도 약 50% 정도로 값싸게 만들 수 있다. 실제로 유일한 박막태양전지 양산회사인 First Solar (미국)는 CdTe 박막태양전지를 2008년 한 해 동안 504 MW를 생산함으로써 글로벌 생산 2위에 올랐다. 이는 570 MW를 생산한Qcell(독일)을 제외한 많은 결정형 실리콘 태양전지 생산업체를 뒤로한 결과이다. 그러나 일반적으로 화합물 반도체 박막 태양전지는 결정형 대비 상대적으로 낮은 효율, 소재의 독극성, 복잡한 화학조성, 셀과 모듈의 전환 효율의 큰 간격과 효율 향상의 어려움 등이 상존하고 있다. 그럼에도 불구하고 반도체 메모리 및 디스플레이 산업과 기술의 유사성으로 인하여 미래의 유망 반도체 산업기술로서 인정을 받고 있으며, 우리 나라도 이 기술의 산업화에 고심하고 있는 실정이다.
본 고에서는 향후 가장 유망할 것으로 예상되는 박막태양전지인 CIGS 태양전지의 기술 개발과 산업화 동향을 살펴보기로 한다.
2. 박막 태양전지 기술:
CIGS(CuInGaSe2) PV
모든 박막 태양전지의 소자 구성은 단순하다. <그림 3>은 CIGS 박막태양전지 구조도를 보이고 있다. 빛이 입사되는 방향에 따라 substrate (CIGS)와 superstrate (CdTe) 형태를 하지만 기본 구조는 동일하다. CIGS태양전지는 기판으로 유리판(소다라임 유리)이나 유연금속 및 폴리머 foil이 사용된다. 이들 위에 형성하는 전면전극(front electrode; Al:ZnO/i-ZnO), 광흡수체 (CIGS, CdTe), 후면 전극(back electrode; Mo) 등 세 부분으로 크게 나눌 수 있다. 지금까지 알려진 가장 표준 소재는 소다라임 유리기판, Mo 후면전극, 광흡수층 (CIGS), CdS버퍼층, Al:ZnO/i-ZnO 투명창층 (전면전극), 무반사층(MgF2)과 그리드 전극 (Al/Ni)이며, <그림 3>처럼 순차적으로 형성하여 제작하게 된다. 셀의 경우 소자 패턴은 없다.
그림 3. 박막태양전지 구조도
그림 4. 박막태양전지 셀/모듈 공정 흐름도
자료 : YOLE 2008 수정
<그림 4>는 박막태양전지 모듈 공정 순서도이다. 일반적으로 박막 태양전지 공정은 (a-Si 포함) 매우 유사한데, 특히 화합물 반도체 태양전지의 경우 흡수체 공정을 제외하고는 동일한 절차를 통하여 제작된다. 이 전 공정에 대한 장비 및 개별공정기술은 이미 널리 알려져 있다. 오직 연구가 추가로 필요한 부분은 흡수체 (CIGS 혹은 CdTe) 제작 공정이다. 이 부분은 전 공정의 핵심이며, 이 기술의 차별화가 기업의 차별화로 이어진다.
가. CIGS태양전지의 구성 및 제작
CIGS는 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 4원소로 이루어진 칼코제나이드 계 화합물 반도체이다. 이 소재는 직접천이 반도체 화합물이기 때문에 태양광 에너지 전환 효율이 좋다(이론적인 최고 효율은 25% 이상임). 또한, Al, S 등의 원소를 첨가 도핑함으로써 에너지 갭을 1.0 ~ 2.7 eV까지 광대역으로 변환할 수도 있어 광변환효율을 더욱 향상시킬 수가 있다. CIGS는 3원소(ternary) 반도체 CuInSe2(CIS)에 갈륨(Ga) 원소를 In치환으로 도핑 하여 효율을 증가시킨 것이다. 다음으로, 이 소재의 광흡수계수가 105cm-1로서 광흡수소재 중 가장 높아서 고효율 태양전지를 만들 수 있다. 또한, 환경 안정성과 방사선에 대한 소재의 저항력도 매우 강하다. 그렇지만 핵심 원소인 인듐의 가격이 너무 높아 대량 생산에 불리하며, 4원소인 만큼 2원소 박막 태양전지(CdTe)에 비하여 제조공정이 훨씬 복잡하다는 단점이 있다. 따라서, 핵심 태양광발전 산업의 주인공이 되기 위해서는 인듐 및 카드뮴 사용을 하지 않는 신소재 흡수체 발굴과 제조 비용절감을 위한 공정 최적화가 필요하다.
버퍼층은 50 nm 두께의 CdS를 사용하며 CIGS와 이종접합을 하는데 매우 중요한 역할을 한다. CIGS 박막은 다결정(polycrystalline) 성장 특성을 보이고 있어서 표면이 고르지 못하다. 따라서, 소자를 안정적으로 하기 위해서는 울퉁불퉁한 표면을 모두 덮을 수 있어 (conformal coverage) 소자상 결함을 노출시키지 않는 소재 및 박막 증착기술이 필요하다. 이 해결방안으로 CdS 소재를 화학용액증착(chemical bath deposition; CBD)으로 성막하는 것이 황금율로 알려져 있다. CdS는 50 nm를 사용하고 있지만 카드뮴의 독성 때문에 Zn(O, OH)S, In2S3 등 대체 소재 연구가 진행되고 있다. 특히, ZnS를 사용할 경우 UV영역의 양자효율이 CdS보다 높아 약 8%의 전환효율 추가 향상이 기대되는 것으로 알려지고 있다[1]. 또한, 습식CBD 제조 방법은 진공방식의 인라인 일괄공정에 장애가 되고 있다. 이를 극복하기 위하여 버퍼 소재를 진공 공정 혹은 진공 공정과 함께 사용할 수 있는 박막 성장법의 개발연구가 활발하다.
후면전극으로 몰리브데늄(Mo) 전극은 CIGS 태양전지의 황금율 중의 하나이다. Mo는 다른 어떤 소재보다 유리기판과의 열팽창계수가 비슷하며, 부착성과 전기 전도도를 동시에 만족시켜주는 소재로 알려져 있다. 박막 성장을 위해서는 진공증착 DC 스퍼터링을 가장 많이 사용하고 있다. 한편 전면전극으로 i-ZnO/Al:ZnO가 투명창(TCO; Transparent Conducting Oide)에 사용된다. 박막태양전지의 경우 모노리식 집적화를 하게 되는 데 있어서 투명창은 1 ㎛ 이상으로 두껍게 성장하기 때문에 전기 전도도와 빛의 투과도를 동시에 최적화 하는 것이 매우 중요하다. 그리고 ZnO의 고유물성인 친수성은 CIGS 태양전지 모듈의 수명단축에도 직접적인 영향을 준다. 한편 우주공간용 태양전지 모듈에는 TCO 소재로 ITO를 사용하기도 한다.
기판으로는 유리, 스텐레스 스틸 포일, 타이타늄 포일, 폴리머(polyimide; PI) 등 다양한 소재가 사용된다. 가장 일반적으로 소다라임 유리기판이 사용되고 있는데 그 이유는 유리에 함유되어 있는 나트륨(Na)이 CIGS의 다결정 결정립을 크게 하고 이 때문에 전환효율이 향상하기 때문이다. 반면에, 유연기판 소재의 경우 일부러 Na 층을 추가하여 CIGS 결정성 향상을 하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 지금 상용화 되고 있는 대표적인 유연기판 소재는 스텐레스 스틸 포일과 폴리이미드(PI) 폴리머 소재이다.
나. CIGS흡수층 증착기술 및 비교
CIGS 태양전지가 고효율 및 대면적 가능성의 장점에도 불구하고 산업화가 부진한 이유는 산업적으로 믿을만한 CIGS 제조공정이 확립되지 못하였기 때문이다. 4원소 화합물인 CIGS는 다양한 제조 방법이 활용되고 있다. 그 종류로는 진공증착, 비진공방법(나노프린팅, 전기도금, CBD 등)이 있다. 이중 가장 많이 활용되고 있는 진공증착 방법으로는 증발법(evaporation)과 2 단계공정 (two-step process)법 두 가지가 대표적인 공정으로 알려져 있다.
증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레늄(Se)을 열 증발원(thermal evaporator 혹은 Knudsen cell)을 이용하여 동시에 증발시켜(co-evaporation) 고온 기판에 박막을 형성하는 방법이다<그림 5 (가)>. 이는 1982년 Boeing(미국)에서 개발된 방법으로, 각각의 증발원을 독립적으로 설치하여 사용하기 때문에 원소의 조성 제어가 용이하고, 특히 도핑소재인 Ga의 최적 조성비율 Ga/(In+Ga)=0.3을 제어하는데 편리하다. 그러나 기본적으로 증발원이 점원(point source)이기 때문에 수천 제곱 센티미터의 대면적 기판에 박막을 형성하기에는 불리한 점이 많다. 따라서 대면적 박막 제작을 위해서는 선형 증발원(line evaporation source)의 개발이 시급한 실정이다. 대면적 박막의 대량 생산을 위해서는 기판이 선형 증발원 위에서 인라인(in-line)으로 수평 이동하면서 박막이 제작되어야 하는데, 이 경우 조성 제어가 정지상태에서 보다 매우 어려우며, 이는 효율 향상에 가장 큰 장애요인이 되고 있다. <그림5>는 동시 증발법과 인라인법의 비교를 보이고 있다. 산업화에서는 대면적화에 적합한 인라인 증발법이 사용되고 있다. 이제까지 이 방법의 약점으로 많이 지적되었던 것은 점원이기 소재사용률이 낮고 대면적화에 불리하다는 것이었다. 점원의 구조적 특성으로 인하여 상향식으로만 사용될 수 있다는 제약이었다. 그러나 이러한 단점도 선형증발원(최대 1.0 m 폭)이 속속 개발되어 극복되고 있다.
그림 5. CIGS 흡수체 제조 방법: (가) 동시증발법 (나) 인라인 증발법
2단계 공정(two-step process) 방법은 CIG 혹은 CIGS 전구체(precursor) 제작과 셀렌화(selenization) 혹은 황화(sulfurization)에 의한 제조 공정이다<그림 6>. 먼저 전구체 제작에 있어서 스퍼터링에 의한 진공 증착과 전기도금(electrodeposition)에 의한 비진공법이 있다. 다음으로 전구체의 CIGS 화합물 반도체 조성을 완성하기 위해서 고온 열처리 과정을 거치게 된다. 즉, 증발법이 CIGS증착과 동일한 챔버에서 셀렌화가 이루어지는 것과 달리 2단계 공정(two-step process) 은 독립된 서로 다른 두 개의 챔버에서 셀렌화가 이루진다는 것이 공정상 차이점이다. 첫 단계에서는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 혹은 셀레늄(Se)이 스퍼터링 증착(혹은 전기도금)에 의하여 순차적으로 기판 위에 전구체 박막으로 형성된다. 다음 단계인 열처리 과정이 이 2단계 공정의 핵심인데 CIGS의 조성을 맞추기 위하여 약 550℃의 고온전기로(furnace)에서 급속 열처리(RTP: Rapid Thermal Process)하게 된다. 이 때 고온 전기로 내부는 하이드라이드 가스(H2Se, H2S) 1 atm 분위기에서 400-600℃로 유지되거나 단순히 고온처리 되는 등 공정 노하우는 업체마다 다르다. 사용하는 반응가스에 따라 셀렌화(selenization) 혹은 황화(sulfurization)라 불리며 때로는 두 가지가 동시에 사용되기도 한다. 이 방법은 증발법에 비하여 박막의 균일성이 좋고 소재의 활용도도 높일 수 있기 때문에 제작공정의 저가화가 가능하다고 알려져 있다. 스퍼터링의 경우 평판형 타겟과 실린더형 타겟은 각각 30% 및 70% 등의 소재활용율을 보고하고 있다. 반면 전기도금법(ED: electrodeposition)은 90%에 근접한다. 이 2단계 공정 기술은 1980년대 ARCO Solar(미국)에서 개발되었으며, 일본에 기술이 도입되어 Showa Shell에서 대면적 CIGS 모듈 효율 13.4%를 얻은바 있다.
비진공 CIGS 공정법도 여러 가지가 시도되고 있다. CIGS나노입자를 만들어 박막을 만드는 잉크프린팅 (ink-printing)법은 미국 ISET Inc.의 핵심기술이며, 전기화학증착법(electro-chemical deposition)이 역시 사용되고 있는데 미국 SoloPower Inc.의 핵심기술이다. 이 기술의 가장 큰 장점은 90% 이상의 높은 소재활용 효율성이다. 그러나 이 프리커서 이후의 공정은 기존의 RTP(Rapid Thermal Process)와 pn-접합 공정 등을 그대로 활용할 수 밖에 없기 때문에 아직 흡수체형성에서만 소재활용의 극대화가 가능한 편이다.
그림 6. 2 단계 공정(2-step process) CIGS 흡수체 제조 방법
3. 태양광발전 시장 현황 및 동향
오늘날 태양전지 산업활용은 크게 가정용(residential), 상업용(commercial), 계통발전용(utility-tied) 등 3가지로 분류되고 있다. 태양전지는 이미 오래 전부터 포터블 IT 기기 등에 사용되는 휴대 전원으로 널리 사용되고 있었다. 최근 들어 소규모 분산 발전용으로 별도의 패널 형태 또는 건축물과 일체화된 외장재(창문, 외벽 또는 지붕 등)로서 개발되어 활용되고 있는데 이는 건물일체형 태양전지(BIPV; Building Integrated Photo-Voltaics)라 부른다. 우리나라에서는 태양광시범주택등의 국가보급사업의 일환으로 일반가옥에 설치되고 있으며, 외국에서는 상업용으로 대형 사무실 및 공공건물에 응용되어 널리 보급되고 있다. 또한, 계통 발전용으로는 전세계적으로 수 MW에서 수 백 MW까지 태양광을 이용한 발전소에 점차 광범위하게 활용될 전망이다. 지금까지 설치된 태양전지는 80%가 BIPV에 그리고 20%가 태양광발전소에 보급되었다.
태양광발전 사업의 측면에서 어느 태양전지기술이 유리할 것인가에 대한 판단은 다음과 같은 응용분야에 따라 사용 셀 기술이 달라질 수 밖에 없다.
① Residential BIPV
② Industrial (or commercial) BIPV
③ Small scale Utility
④ Full scale Utility
이상의 4가지 응용분야에 대하여 각 태양전지의 총 연간 전력 생산량(yearly electricity throughput)도 함께 고려해야 된다. 지금으로서는 이미 시장을 확보한 결정질 실리콘 태양전지와 양산에 접근한 비정질 실리콘 박막 태양전지의 전망이 밝은(promising)편으로 인식되고 있다. 2008년의 금융위기에 의한 시장 축소로 인하여 최근 결정질 실리콘 태양전지의 모듈가격이 급속히 하락하고 있으며 만약, $2.00 대로 축소되면 박막 태양전지가 가격 경쟁력을 확보하기는 어려울 것이라고 평가되기도 한다.
2008년 말, 전세계 태양전지 총 생산량은 8.1 GW였으며 그 중 박막태양전지는 1.1 GW였다 [2]. <그림 7>은 2006~2008년간의 전세계 태양전지 셀/모듈 생산량의 변화를 보이고 있다. 박막태양전지 업체로서는 CdTe를 생산하는 First Solar(미국)가 504 MW를 생산하여 570 MW의 결정형 실리콘 태양전지 모듈을 생산한 Q-CELLS(독일)에 이어 2위를 차지했다. 현재 전세계 모든 박막태양전지 업체가 First Solar의 양산 및 제조비용을 벤치마킹하고 있다. 박막태양전지 시장에서는 First Solar의 실적이 모두를 압도하고 있으며, CIGS분야에서는 Global Solar (30 MW), Honda Soltec (18 MW), Showa Shell Sekiyu (15 MW) 순이다<그림 8>.
그림 7. 전세계 태양전지 셀 및 모듈의 연간 생산량 (2006~2008)
자료 : Displaybank 2009
그림 8. 연간 박막태양전지 생산량
자료 : Displaybank 2009
2000년 이후 태양광산업의 성장은 연평균 38.4%로 타 신재생에너지 산업 중 가장 급격한 상승세를 보였으나 2008년 금융위기로 인하여 성장세가 둔화되었다. 그러나 2010년 이후 두 자리 숫자의 연간 성장율을 회복할 것이라고 예측되고 있다. 그리고 우리나라를 비롯한 미국, 일본 등 선진국에서 지구온난화의 이슈에 대한 대책이 정책으로 정착되면서 태양광기술은 점점 더 중요해 지고 있다. <그림 9>에서 볼 수 있듯이 2008년의 세계 금융위기로 태양광시장의 생산 규모의 축소가 불가피 하였지만 이후 꾸준한 상승세에는 변함이 없을 것으로 예측되고 있다.
그림 9. 세계 태양전지 시장 규모 및 예측 (2006~2013)
자료 : Displaybank 2009
4. 주요 CIGS 기업 기술 및 생산 동향
위 절에서 기술하였듯이 CIGS는 가장 효율이 높은 화합물반도체 태양전지 소재이다. 잠재 모듈 효율은 셀효율(19.9%)의 80% 수준인 16%까지 기술개발이 될 것으로 예상되며, 그렇게 되면 셀 최고효율이 16%인 CdTe 박막태양전지와 20.3%인 다결정 실리콘 태양전지 시장을 압도할 것으로 전망된다. 이러한 기대감 때문에 CIGS에 대한 산업화가 많은 관심을 보이고 있다. 2009년 현재 수준으로 CIGS태양전지의 구조 및 제조 방법 등이 이미 안정화 되어가고 있기 때문에 전 세계적으로 CIGS기업이 속출하고 있다. 이런 상용화의 핵심은 CIGS 박막의 제조방법에 의하여 구분된다. 아래 <표 1>은 각 CIGS 기업의 양산수준과 고유 기술을 보인다.
표 1. 2009년도 세계의 CIGS 태양전지 양산 현황
Showa Shell(일본)은 3,459 cm2의 대면적 CIGS 모듈에서 13.4% (스퍼터링 및 셀렌화)의 최고 기록을 보유하고 있으며, 최근 ZnS/CIGS를 이용한 15.7% (셀면적 30 x 30 cm2)를 보고하는 등 신기술 개발에 열중하고 있다. 이 셀에서는 MOCVD에 의한 ZnO:B투명창층이 이용되었다 [3]. Wu‥rth(독일)은 7,230cm2 크기의 대면적 모듈에서 12% (인라인 증발법)의 모듈 효율을 보고하였다. Centrotherm(독일)은 2007년 이후 CIGS 장비의 턴키솔루션(turn-key solution)을 제공하고 있다. 2007년 9월에 Taiwan에서 처음 Turn-key 장비를 제공한 바 있다(SUNSHINE PV). CIGS박막 성장으로 스퍼터링을 이용하고 있으며 RTP(Rapid Thermal Process)를 이용하여 셀렌화를 한다. 핵심 기술로는 인라인 공정에서 열처리에 걸리는 시간이 60초(teck time)인 RTP(Rapid Thermal Process) 기술이다. 이 회사는 30 x 30 cm2 유리기판에서 2009년 9월 현재, 10.3%의 모듈기술을 기록하고 있다. Heliovolt(미국)은 서로 다른 두 개의 전구체를 제작하고 이 둘을 접합하여 고속 셀렌화를 수행하는‘FASST(Field Assisted Simultaneous Synthesis and Transfer)’공정을 특허기술로 차별화 하고 있다. 이와 같이 전구체+셀렌화 공정을 기반으로 하는 기술의 핵심은‘신속한 셀렌화’이다. 2008년 11월 현재 10.5% (600 x 1200 mm2)를 기록하고 있다.
한편, 유연기판을 이용한 CIGS 모듈 생산도 약진을 하고 있다. 특히, 건물일체형 (BIPV; Building Integrated Photovoltaics)에 적합한 미래기술로서 유연기판 태양전지의 활용도는 막대할 것으로 예상된다. CIGS 분야의 선도 기업은 <그림 8>과 <표1>에 나타났듯이 Global Solar Energy(GSE; 미국)이다. GSE는 스텐레스 스틸 포일 기판 위에 인라인 증발법과 롤투롤 공정을 이용하여 CIGS 셀 및 모듈을 생산하고 있다. 현재까지 유일한 CIGS 모듈 양산업체이다. Solarion AG(독일)는 폴리머기판(polyimide; PI) 위에 CIGS셀을 제작한다. 핵심기술은 IBAD (Ion-Beam Assisted Deposition; patented)를 이용한 Se 증착이며, 이 방식의 특징은 이온화된 Se을 이용하여 셀렌화를 수행하기 때문에 400℃ 저온에서도 고품질의 CIGS 박막을 제조할 수 있다는 것이다. 셀 효율은 14% (35 mm2)를 기록하고 있다. 한편 Ascent Solar(미국)는 증발법과 PI 기판을 이용하는 것은 Solarion AG와 동일하지만 유연기판임에도 불구하고 유리기판처럼 모노리식 집적화를 하는 점이 다르다. 이와는 달리 유연 스텐레스 스틸 포일 기판을 사용하고 있지만 SoloPower(미국)는 CIGS 제조방법으로 비진공 전기도금법을 이용하는 유일한 기업이다. 2008년 셀과 모듈을 제작하여 각각 13.76% (0.48 cm2), 12.25% (102 cm2) NREL의 공인을 받은 바 있다 [4]. 한편, ISET(미국)의 핵심 기술은‘Ink based CIGS’이다. CIGS 조성을 미리 설정된 분자량 조합으로 합성한 전구체(prefix)를 이용하여 물을 용매로 하는 용액잉크를 제조한다. 이 방법에 의하면 잉크의 95%가 평균 결정립의 크기가 100~150 nm인 최종 CIGS가 형성된다고 주장한다. 이 과정에서 포스트 셀렌화(post selenization)는 1기압 H2, H2Se 분위기에서 상압 전기로에서 열처리함으로써 수행한다.
CIGS셀은 Mo 포일 기판에 제작하였으며, 6~7% (10 cm x 10 cm) 모듈 효율 기술을 보유하고 있다. 향후 모듈 목표 효율은 8~10%이다. 소자는 스텐레스 스틸 포일 기판 위에 잉크 프린팅 기술을 이용하고 있으나 다른 유연기판 회사들과 달리 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 하고 있지는 않다. Solyndra(미국)는 유리기판과 증발법을 이용하지만 모듈의 형상이 원통형을 이용하는 것이 차별화 되어 있다<그림 10>. 이 원통형 모듈은 표면으로부터 반사된 빛을 이용해서도 전력을 만들어 낼 수 있다는 것을 특징으로 하고 있는 특허기술이다 [5].
그림 10. 원통형 CIGS 셀 및 모듈 (Solyndra)
Johanna Solar(독일)에서는 <그림 11>과 같이 여러 가지 채색이 된 모듈로 CIGS panel이 만들어 질 수 있다는 것을 보여주었다. 화합물 반도체 박막태양전지가 BIPV를 주요 시장으로 간주하고 있는 만큼 다양한 채색 모듈은 BIPV용으로 매우 상용성이 높을 것으로 판단된다 [6].
그림 11. 채색 CIGS 태양전지 모듈 (Johanna Solar)
지금의 박막태양전지 시장은 CdTe를 기반으로 하는 태양전지 회사인 First Solar(미국)에 의하여 독점되다시피 한다. First Solar는 CdTe를 양산함으로써 유일한 계통연계형(utility-connected) 태양광발전용 제품을 출시하고 있는 회사로서 2008년도 총 생산량이 세계 2위의 업체가 되었다. 이 회사의 성공요인은 광흡수체인 CdTe를 제조할 수 있는 VTD(Vapor Transport Deposition) 핵심특허기술을 보유하고 제조공정을 단순화하여 생산 부대비용을 과감하게 절감한 결과라고 알려지고 있다. 견실한 8~9%의 전지 모듈 효율로 사업을 시작하였으며, 현재는 10%까지 효율을 유지하고 있다. 이런 실적을 뒷받침하는 First Solar의 기반은 높은 yield로서 모듈에서 90% 이상을 이미 달성했다고 알려지고 있다. 이는 셀 양산 yield가 약 97~98%에 달하는 거의 완벽한 수준에 도달하였다는 것을 의미한다. 2010년에는 모듈 생산비용을 $1.0/Wp 이하로 낮추겠다고 공언하고 있다. 이렇게 되면 태양광에너지 산업이 보조금(incentive)없이도 자력으로 전통 에너지원들과 경쟁이 가능한 그리드 패리티(grid-parity)를 달성할 수 있는 전기가 마련되는 것이다.
5. 맺음말
본고에서는 박막태양전지 기술과 산업 현황 및 전망에 대하여 기술하였다. CIGS 태양전지는 가장 효율이 좋은 화합물 반도체로서 향후 박막태양전지 시장의 지배적인 기술이 될 것이다. 2007년 현재 1세대 결정형 실리콘 태양전지가 태양광발전시장의 90%를 점유하고 있는 것은 실리콘 태양전지의 높은 효율과 안정된 성능 때문이다. 반면에 안정적인 고품위CIGS 대면적 박막 성장은 아직도 기대에 못 미치고 있으며, 최고 실험실 셀 효율과 대면적 모듈간의 효율 격차도 50% 이상 벌어져있다. 그렇다 하더라도 시제품 상용모듈은 상용화에 성공한 CdTe의 최고효율 보다 높은 10%를 유지하고 있다. 세계적으로 CIGS박막태양전지는 어느 한 순간에도 선도기업이 탄생할 수 있는 기술의 성숙 및 산업환경이 급속도로 개선되고 있다.
우리나라는 이미 결정형 실리콘 태양전지 원천기술확보 및 산업화 측면에서 독일, 일본, 중국에 비해 늦었기 때문에 대외 기술 경쟁력 확보도 쉽지 않을 것으로 예상된다. 이와 비교하면, 차세대 태양광발전 기술인 박막형 태양전지 분야는 전 세계적으로 아직 산업화 초기 단계이고 실용화에 따른 원천기술 확보의 가능성도 높아 국내기술에 의한 대외경쟁력 확보가 보다 용이할 것으로 판단된다. 또한, 우리나라가 이미 보유한 세계 최고 수준의 반도체/디스플레이 기술을 전환, 활용하게 된다면 박막형 태양전지의 실용화 원천기술뿐만 아니라 시장 경쟁력을 조기에 확보할 수 있을 것이다. CIGS태양전지가 차세대 지배적인 박막태양전지 기술이 될 것이 확실시 되는 만큼 많은 노력을 기울여 연구 개발함으로써 국가 산업화로 발전시켜야만 된다.
김제하
박막태양광기술연구팀 팀장
ETRI 차세대태양광연구본부
【참고자료】
[1] D. Hariskos, et. al., EUPVSEC 2009, 3DO.4.5
[2] Kenny Kim, Global Solar Market Insight in Proc. Korea Photovoltaic
Conference 2009
[3] H. Sugimoto, et. al., EUPVSEC 2009, 3DO.6.4.
[4] B. Basol, et. al., EUPVSEC 2008
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Solyndra
[6] V. Probst, et. al., EUPVSEC 2009, 3DO.6.2.
Source : IT SoC
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