2015 정보분석보고서

태양전지의 기술진화 및 N-type 실리콘 태양전지의 시장 전망

이정구(KISTI), 이해석(고려대학교)

목 차

제 1 장. 태양전지의 기술진화 ····································································· 1 1.1. 실리콘 태양전지 고효율화 기술 ············································································· 2 1.2. 실리콘 태양전지 효율 한계 ······················································································· 7 1.3. P-type 상업용 실리콘 태양전지 ··········································································· 9

제 2 장. 고효율 태양전지 시장 동향 및 전망 ········································ 12 2.1. 고효율 실리콘 태양전지 시장 동향 ····································································· 13 2.2. 고효율 실리콘 태양전지 제조업체 현황 ····························································· 19

제 3 장. N-type 실리콘 태양전지 기술 ················································ 30 3.1. N-type 실리콘 태양전지 요소기술 ···································································· 31

제 4 장. 국내 태양전지 산업 현황 및 전략 ·········································· 43 4.1. 국내 태양전지 산업 및 기술개발 현황 ······························································· 43 4.2. 국내 태양전지 기술개발 전략 ··············································································· 46

제 5 장. 결 론 ······························································································ 51

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제 1 장. 태양전지의 기술진화

태양광 세계시장 경쟁력 확보를 위해 태양광발전 시스템의 저가·고성능화 (일본

NEDO, 2030년 발전단가-7엔/kWh, 모듈효율-25%, 모듈제조단가-50엔/W, 모듈수명-

30년)을 달성하기 위한 기술개발 경쟁이 치열하며, 핵심소자인 태양전지도 이러한

목표를 달성하기 위한 고효율화 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

그림 1-1는 NREL (National Renewable Energy Laboratory, USA)에서 발표한 태양

전지 종류별 효율기록 추이를 나타낸다. 그림에서 보듯이 1세대 태양전지인 결정질

실리콘 태양전지의 최고 효율 기록은 25.6%이며, 2세대 태양전지인 CIGS

(CuInxGa1-xSe2) 박막 태양전지 21.7%, CdTe 태양전지 21.5%, 비정질 실리콘 박막

(amorphous-Si) 태양전지 13.6% 이다. 또한, 3세대 태양전지인 염료감응 태양전지

11.9%, 유기 태양전지 11.5%, 페로브스카이트 태양전지 20.1% 이다.

여기서 태양전지를 구성하는 광흡수층의 구조에 따라 크게 3개의 점선으로 구분

할 수 있다. 10% 정도의 변환효율을 가지는 태양전지의 경우 비정질 구조를 가지고

있으며, 20% 정도의 변환효율을 가지는 태양전지 광흡수층은 다결정 구조를 가지고

있다. 또한 25% 이상의 변환효율을 가지는 태양전지는 단결정 구조를 가지고 있다.

이러한 분석을 통해 태양전지 종류별 이론효율 한계를 예측할 수 있으며, 이를 극

복하기 위한 기술 개발 및 차세대 태양전지(나노 등)에 대한 연구개발 계획을 수립

할 수 있다.

출처 : NREL Research Cell Efficiency Records, June 2015.

그림 1-1. 태양전지 종류별 효율기록 추이

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1.1 실리콘 태양전지 고효율화 기술

최근 결정질 실리콘 태양전지의 기술개발 방향은 효율 증대 및 동시에 소재 개발

및 생산기술 개선을 통한 원가절감에 초점이 맞춰져 있다. 그림 1-2는 실리콘 웨이

퍼 별 태양전지 시장 점유율 예측을 나타내고 있으며, 향후 n-type 웨이퍼 기반 단

결정 실리콘 태양전지 (n-type mono-crystalline-Si) 및 고성능 p-type 웨이퍼 기반

다결정 실리콘 태양전지(p-type HP multi-crystalline Si)의 시장 점유율이 증가할 것

으로 예측된다.

그림 1-3은 웨이퍼 종류 및 태양전지 구조별 효율 변화 예측을 나타내고 있다. 현

재 상업용 p-type 단결정/다결정 실리콘 태양전지는 BSF (Back Surface Field, 단결

정 효율: 18-19%, 다결정 효율: 17-18%) 구조이며, 향후 PERC (Passivated Emitter

and Rear Cell) 구조를 통해 단결정 실리콘-20%, 다결정 실리콘-19% 이상의 고효율

을 달성할 수 있을 것 같다. 또한, 25% 이상의 고효율은 단결정 n-type 웨이퍼 기반

후면 전극형 (Back Contact) 구조를 통해 달성할 것으로 예측하고 있다.

이러한 고효율 태양전지의 주요 특성은 표면 및 후면전극 부근에서의 캐리어 재

결합을 방지하기 위하여 passivation 층을 형성하거나, ‚빛 흡수를 극대화하기 위해

전후면 전극을 모두 뒷면에 형성시킨 구조를 가지고 있다. 캐리어 손실을 줄이기 위

한 passivation 기술은 현재 상업용 태양전지인 BSF 셀의 전후면 recombination

current 200fA/cm2을 100fA/cm2으로 줄여 고효율화를 달성할 수 있다. [그림 1-4]

출처 : ITRPV.net, 2014.

그림 1-2. 웨이퍼 별 태양전지 시장 점유율 예측

- 3 -

(a)출처 : ITRPV.net, 2015.

(b)출처 : AMAT presentations

그림 1-3. 웨이퍼 종류 및 태양전지 구조별 효율 변화 예측

- 4 -

출처 : ITRPV_Berlin

그림 1-4. High efficiency vs. Recombination current

또한, 고면저항 에미터 형성 기술개발을 통해 전면 표면 재결합을 줄일 수 있으며

셀의 고효율화를 달성할 수 있다. 최근 고면저항용 전극 페이스트의 개발로 인해 에

미터 면저항 100/ 까지는 상용화 가능한 Fill Factor(상용 셀의 FF: 0.78~0.82) 값을 보인다. [그림 1-5]

출처 : ITRPV_Berlin

그림 1-5. High efficiency vs. emitter sheet resistance

- 5 -

PERC 구조는 후면전극을 개선하여 개방전압 및 단락전류 특성을 향상시키고자 고

안된 구조로 산화막을 후면전극과 실리콘 기판사이에 증착하여 passivation 특성을

향상시키며, 일부 산화막을 제거하여 rear contact (후면전극)을 형성한다. 또한 후면

전극/산화막 구조에 의해 후면 빛 반사를 향상시킬 수 있다.

Back Contact 구조는 n-type 기판을 사용하며, 후면에 음극과 양극을 모두 형성시

킨 구조이다. 전면과 후면은 산화막으로 passivation 하며, 국부적으로 n+/p+ 영역을

형성한다. [그림 1-6]

현재 6인치 n-type 상업용 실리콘 태양전지의 경우 LG전자에서 22% 효율의

n-type bifacial 태양전지를 생산하고 있으며, 고성능 6인치 p-type 상업용 다결정 태

양전지의 경우 한화에서 19% 효율의 태양전지를 생산하고 있다.

향후 25% 이상의 고효율 태양전지 상업화를 위해 n-type 웨이퍼 기반 실리콘 태

양전지의 연구개발이 더욱더 활발히 이루어질 것 같으며, n-type 실리콘 태양전지의

특징 및 개발 이슈는 아래와 같다.

◦광열화 현상이 없음 ◦금속 불순물에 대한 높은 저항성 ◦이슈(1) Boron rich layer 제거 기술 ◦이슈(2) Boron 이온 주입시 결함 발생 ◦이슈(3) 음의 고정전하를 띄는 새로운 패시베이션층 개발 ◦이슈(4) Boron Emitter 접촉 새로운 전극소재 개발 ◦이슈(5) N-type 웨이퍼의 PID (Potential Induced Degradation) 현상

- 6 -

(상)

(하)

그림 1-6. (상) PERC 구조 태양전지, (하) Back Contact 구조 태양전지

이와 같이, 태양광 발전시장에서의 고성능·저가화 요구에 맞춰 핵심소자인 태양

전지의 고효율화 기술개발은 지속적으로 진행될 것이며, 전통적인 가정용 및 Utility

시장의 경우 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하는 실리콘 태양전지가 주도할 것으로 예측

되며, 박막 태양전지의 경우 새로운 시장으로 웨어러블 디바이스 및 BIPV (Building

Integrated Photovoltaic System)를 통해 시장 확대가 점진적으로 이루어질 것으로

예측된다.

- 7 -

1.2 실리콘 태양전지 효율 한계

그림 1-7은 shockley-Queisser limit를 고려한 태양전지의 이론 최고 효율을 나타

낸다. 단일접합 태양전지에서 밴드갭을 고려한 최고 효율은 약 33% (AM1.5) 이다.

여기서 low bandgap 에너지에서의 높은 thermalization 손실 및 high bandgap 에

너지에서의 ‚높은 non-absorption 손실이 50% 이상의 power 손실을 차지한다. 여

기에 Auger recombination (재결합)을 포함하면 실리콘 태양전지의 이론 효율은 약

29.4% 이며, 현재 개발된 실리콘 태양전지 최고 효율은 25.6% 로 이론 효율의 85%

이상까지 도달하고 있다.

(a)

- 8 -

(b)

출처 : "2014 Silicon Workshop, Korea University"

그림 1-7. (a) Maximum efficiency as function of bandgap

(b) Maximum efficiency including Auger recombination

이러한 이론효율을 뛰어넘기 위하여 광을 조절하는 Up-conversion, Beam splitting

등의 기술개발이 진행 중에 있으며, 또한 bottom 셀로 실리콘 태양전지를 활용하는

Tandem cell [그림 1-8] 에 대한 연구가 진행 중에 있다. Top 셀로는 실리콘 태양전

지보다 bandgap 에너지가 큰 Perovskite 셀 및 3-5족 화합물 셀 등이 개발되고 있

다.

(a)

- 9 -

(b)

그림 1-8. (a) Silicon Solar Cells, (b) Tandem Solar Cells

1.3 P-type 상업용 실리콘 태양전지

현재 시장의 대부분을 점유하고 있는 상업용 태양전지는 p-type 웨이퍼를 기반으

로 하는 실리콘 태양전지이다. 그림 1-9는 상업용 p-type 실리콘 태양전지의 구조

및 제조 공정을 나타내며, 요소기술은 다음과 같다.

빛 흡수를 극대화하기 위한 웨이퍼 표면의 texturing

‚ N-emitter를 형성하기 위한 인(Phosphorus) 도핑

ƒ PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용한 전면 반사

방지막 SiNx 증착

„ 스크린프린팅(screen printing) 방법을 이용한 전·후면 전극 형성

전면 전극으로 Ag를 사용하며, 열처리 공정을 통하여 반사방지막을 식각한 후

n-emitter와 접촉한다. 또한, 후면 전극으로 Al을 사용하며, 열처리 공정 후 p 웨이

퍼와 접촉하여 계면에 p+ BSF (Back Surface Field) 층을 형성하면서 접촉한다.

- 10 -

(상)

(하)

그림 1-9. (상) 상업용 p-type 실리콘 태양전지 구조, (하) 제조 공정

- 11 -

표 1-1은 이러한 요소기술들에 있어서 공정 변수에 따른 태양전지 특성 변화를

나타낸다.

표 1-1. 상업용 p-type 실리콘 태양전지 공정변수에 따른 셀 특성

- 12 -

제 2 장. 고효율 태양전지 시장 동향 및 전망

`15년 이후 고성능 다결정 및 N-type 웨이퍼 기반 단결정 실리콘 태양전지 확대

2014년 전세계 태양광발전 설치량은 약 48 GW 로 2013년 대비 25% 이상 성장하

였으며, 2020년에는 연간 태양광발전 설치량이 100 GW를 넘어설 것으로 예측하고

있다. [그림 2-1] 또한, 태양광 시장은 점진적으로 유럽 시장이 줄어들고 있으며, 중

국을 중심으로 아시아 시장은 확대되고 있음을 알 수 있다.

그림 2-2을 보면 태양광발전은 Rooftop 시장이 Utility-scale 시장보다 훨씬 크다

는 것을 알 수 있으며, 이러한 트렌드로 인해 작은 면적에서 많은 전기를 발생시킬

수 있는 고효율 태양전지 제품에 대한 수요가 증가할 것으로 예측하고 있다.

출처 : Global Market Outlook for PV 2014-2018, EPIA, *Bloomburg new energy

finance

그림 2-1. 전세계 연간 태양광발전 설치량

- 13 -

출처 : Global Market Outlook for PV 2014-2018, EPIA

그림 2-2. 태양광 Rooftop 시장 및 Utility 시장 예측

2.1 고효율 실리콘 태양전지 시장동향

현재 상업용 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 기판을 이용하여 만든 결정질

실리콘 태양전지가 전체 태양전지 시장의 90% 이상을 점유하고 있다. [그림 2-3]

현재 저가의 p-type 다결정 실리콘이 시장을 주도하고 있으며, 점차적으로 단결정

실리콘 시장의 비율이 증가할 것으로 전망되며, 특히 n-type 단결정 실리콘이 이러

한 트렌드를 이끌 것으로 기대한다.

출처 : NPD Solarbuzz 2014

그림 2-3. 태양전지 종류별 시장 점유율(%)

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향후 결정질 실리콘 태양전지의 시장 주도 현상은 지속될 것으로 예상되며, 신규

업체의 진입보다 기존업체가 생산량을 늘리는 트렌드가 지속될 것으로 예상하고

있다.

그림 2-4는 국가별 결정질 실리콘(c-Si) 모듈 생산 현황 및 전망을 나타낸다. 태양

광 산업은 수요시장[그림 2-1]과 공급이 모두 아시아가 중심이 되고 있다는 것을 알

수 있으며, 특히 2018년에는 중국의 생산규모가 전체시장의 60% 이상을 차지할 것

으로 예측된다.

출처 : Solarbuzz 2014

그림 2-4. 국가별 결정질 실리콘(c-Si) 모듈 생산현황 및 전망

전통적으로 대표격인 고효율 결정질 실리콘 태양전지는 Sunpower의 IBC

(Interdigitated Back Contact)와 Sanyo의 HIT(Hetero-junction with Intrinsic

Thin-Layer) 태양전지가 있으며 이들은 일반 결정질 실리콘 태양전지에 비해 효율

이 3~4% 이상 월등히 높지만 고가의 공정 기술 및 웨이퍼(5-inch n-type)가 필요하

여 40% 이상이 비싸면서 최근과 같이 저가격으로 형성된 태양광 시장에서 큰 호응

을 얻기가 쉽지 않은 상황이다. [그림 2–5] 하지만, LG전자의 경우 6인치 n-type 웨이퍼를 기반으로 하는 bifacial(양면수광형)

태양전지(변환효율 21.5~22.0%)를 개발하여 상용화에 성공하였으며, 이 태양전지는

IBC/HIT 셀 대비 제조단가가 저렴하여 시장에서의 점유율을 확대하고 있다.

- 15 -

[그림 2-6], [표 2-1]은 n-type 웨이퍼 기반 Bifacial 태양전지를 연구하고 있는

기관들의 개발 현황을 나타낸다.

(상)

(하)

그림 2-5. (상) HIT 태양전지, (하) IBC 태양전지

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그림 2-6. N-bifacial 태양전지

표 2-1. 주요기관의 n-type bifacial 태양전지 연구개발 현황

출처 :

[1] Process optimization of Single Step inkjet printed front contacts for industrially fabricated solar cells leads to

an efficiency gain of 0.3%abs with consumption of less than 60mg silver, R. Jesswein, 2013 EUPVSEC

[2] Dielectric passivation schemes for high efficiency n-type c-Si solar cells, D.S saynova, 2013 EUPVSEC

[3] n-Type high efficiency bifacial silicon solar cell with the extremely high bifaciality of 96% in average

fabricated by using conventional diffusion method, S.Gonsui, 2013 EUPVSEC

[4] 20.5% efficiency on large area n-type PERT cells by ion implantation, A. Lanterne, Silicon PV 2014

[5] Bifacial n-type solar cell with selective boron emitter, Alexander Edler, 2013 EUPVSEC

[6] Development of high efficiency nPERT bifacial solar cells, Chi-Chun Li, Silicon PV 2014 &nPV-workshop

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최근 Fraunhofer ISE 에서는 tunneling oxide를 적용한 passivated contact 구조

(TOPCon, Tunnel Oxide Passivated Contact)를 제안하였다. [그림 2-7] 2nm 이하의

tunneling oxide의 주입을 통하여 캐리어를 선택적으로 수집하고 재결합속도를 낮춰

높은 개방전압을 얻을 수 있다. 또한 생성된 캐리어는 최소 이동경로인 수직방향

확산을 통하여 전극에 도달하기 때문에 높은 FF 값을 가질 수 있다. 그림 2-8은

TOPCon 셀 구조에 따른 Jo 값의 변화를 나타낸다.

출처 : “5th Silicon PV”2015

그림 2-7. N-type Tunnel Oxide Passivated Contact 태양전지

출처 : “KPVS 춘계학술대회”2015

그림 2-8. TOPCon 셀 구조에 따른 Jo 변화

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7.9% 6.8% 6.8% 6.7% 4.7%10.4% 11.2% 11.6%

12.0% 14.1%

0%

20%

40%

60%

80%

100%

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013F 2014F 2015F

Mar

ket S

hare

(%)

High Effi.c-Si Standard c-Si

최근 24.9% 고효율(Voc-719mV, Jsc-41.5mA/cm2, FF-83.4%)을 달성하여 보고한 바

있다.

Silevo 에서는 전‧후면에 tunnel oxide 층을 삽입한 구조로 [그림 2-9], Cu 전극을 사용하여 최근 23.1% 고효율 (Voc-739mV, Jsc-38.9mA/cm2, FF-80.5%)을 달성하여

보고하였다. 위 Fraunhofer의 TOPCon 셀과 비교하면 개방전압 값이 우수함을 알

수 있으며, 이 결과는 전‧후면에 삽입한 tunnel oxide 층의 영향으로 판단된다.

출처 : HENG et al., IEEE journal of photovoltaics, 5(1), 2015

그림 2-9. N-type Tunnel-junction cell with copper grid 태양전지

출처 : “SNE Research”2013. 04

그림 2-10. 실리콘 태양전지 시장에서의 고효율 태양전지 점유율 현황

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그림 2-10은 실리콘 태양전지 시장에서의 고효율 태양전지 점유율 현황을 나타낸

다. 고효율 태양전지 제품의 점유율이 조금씩 증가하고 있지만, 여전히 시장의 대부

분은 스크린프린팅(screen printing)법을 이용한 BSF 태양전지(단결정: 18~19%, 다결

정: 17~18%)가 차지하고 있다. 고효율 태양전지를 생산하고 있는 업체는 대부분

n-type 웨이퍼를 기반으로 하는 단결정 실리콘 태양전지이며, 일본 panasonic, 미국

Sunpower, 중국 Yingli, 한국 LG전자 등이 있다.

표 2-2는 현재까지 보고된 24% 이상의 고효율 실리콘 태양전지를 나타낸다.

PERL(Passivated Emitter and Rear Locally diffused) 태양전지를 제외한 고효율 태

양전지들은 모두 n-type 웨이퍼를 기반으로 하고 있다. 이 결과로부터 n-type 웨이

퍼 기반 실리콘 태양전지의 고효율 시장에서의 점유율 확대를 예측할 수 있다.

표 2-2. 24% 이상의 고효율 실리콘 태양전지 (2015년 9월 기준)

2.2 고효율 실리콘 태양전지 제조업체 현황

2.2.1 LG전자

2014년 300W 출력의 60셀 프리미엄 모듈 Mono X NeON [그림 2-11]을 출시하여

인터솔라 어워드 2013 위너로 선정되었다. 2015년 ‘인터솔라 2015’에서 LG전자는

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초고효율 태양광모듈 신제품 네온2 (Neon2) 로 태양광부문 본상을 수상하였다. 이

제품은 6인치 n-type 기판을 이용한 단결정 실리콘 태양전지로 60셀 모듈출력

320W, 모듈효율 19.5%의 프리미엄급 제품이다. 기존 제품의 태양전지 위 전기이동

통로(busbar)는 2-3개 였으나, 네온2는 이를 12개로 늘려 전기적 손실을 최소화한

첼로기술을 적용하여 모듈의 출력을 향상시켰다.

LG전자는 2013년 태양전지 생산라인 400MW/년 에서 출발하여 작년에 600MW 라

인으로 늘린데 이어 2015년에는 900MW로 늘린 계획이다. 생산라인 증설은 n-type

웨이퍼 기반 고효율 태양전지로 이루어지며, 미국, 유럽, 일본 등 선진시장에서의

고효율 제품 수요 확대에 맞춰 n-type 태양전지의 비중을 늘리고 있다.

LG전자는 p, n-type 태양전지 모두 세계 정상급 수준인 20%대 이상 효율을 확보

하고 있으며, 6인치 셀을 이용한 300W급 이상의 모듈을 양산하는 유일한 업체이다.

출처 : LG전자 홈페이지“www.lge.co.kr”

그림 2-11. Mono X NeON, LG300N1W

2.2.2 현대중공업

현재 p-type 웨이퍼를 기반으로 하는 결정질 실리콘 태양전지 및 모듈을 생산하고

있으며, 생산용량은 각각 600MW/년 이다. 2004년 모듈 생산을 시작으로, 2008년부터

는 셀을 생산하고 있다. 2011년 selective emitter 기술을 이용하여 19.7% 효율의 실

리콘 태양전지를 개발하였으며, 2012년에는 PERL 기술을 이용하여 20.4%, 2013년에

는 21.0%를 달성하였다.

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최근에는 p-type PERL 셀 [그림 2-12(상)]에서 21.2% 효율(Voc-676mV, Isc-9.53A,

FF-78.7%)를 달성하였으며, 이 셀의 특징은 전면전극 Ni/Ag 또는 Ni/Cu/Ag를 사용하

고, 35μm의 선폭을 구현한 점이다. 또한 전면 passivation 층으로는 SiNx/SiO2, 후면

passivation 층으로는 Al2O3/SiOxNy를 사용하고 있다. 향후 양산라인에 LIP(Light

Induced Plating) 도금법을 이용한 새로운 전극을 적용할 계획이라고 발표하고 있다.

(상)

(하)

출처 : “2014 결정질 실리콘 태양전지&모듈 워크샵”

그림 2-12. p-PERL(상), n-back junction-PERT(하)

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그리고, 새로운 n-type 웨이퍼 기반 태양전지로 back-junction PERT 셀[그림 2-12

(하)]를 개발하고 있으며, 6인치 n-type 웨이퍼에서 전면전극 Ni/Ag, 후면전극 Al을

이용하여 효율 21.18%(Voc-670mV, Isc-9.4A, FF-80%)를 보고하고 있다. 전세계 고효

율 p-type PERC 구조의 개발 현황은 아래와 같다. [표 2-3]

표 2-3. 전세계 p-type PERC 셀 개발 현황

출처 : “2014 EUPVSEC, Fraunhofer”

2.2.3 Yingli Solar

잉리솔라는 2012년말 기준 웨이퍼 1.4 GW, 셀 2.1 GW, 모듈 2.4 GW 생산라인을

가진 세계 1위 태양광 모듈 기업이다. 현재 결정질 실리콘 태양전지 생산능력은 4.2

GW 이며, 2014년 모듈 판매량은 3.3 GW로 세계시장 점유율은 10%에 달한다.

2014년부터 잉리솔라는 n-type 단결정 실리콘 태양전지 제작에 Ion implantation

도핑 방법을 적용하여 PANDA 셀[그림 2-13]을 제작하였으며, 2014년 평균효율

19.7% 의 양산 효율을 보고하였다. 2020년까지 R&D 셀 효율 25%, 양산효율 23%까

지 달성한다는 기술로드맵[그림 2-14]을 발표하였다.

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출처 : YINGLISOLAR.COM

그림 2-13. 잉리솔라 PANDA 셀 구조 및 모듈 규격

그

출처 : “2014 Solar Power International”

그림 2-14. N-type 단결정 실리콘 PANDA 셀 효율 로드맵

PANDA 셀은 빛을 전면과 후면에서 동시에 받는 양면수광형 태양전지로써 빛을

수용하는 면적이 넓어져 전류 특성을 증가시킬 수 있으며, 일반 p-type BSF 태양전

지에 비해 박형화(

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그리고 2014년에는 HIT구조에 IBC(후면전극형) 구조를 결합한 HBC(Heterojunction

Back Contact) 구조로 143.7cm2의 면적에서 25.6%의 세계 최고 효율을 달성하여

보고하였다. [그림 2-16] 이 구조는 IBC 후면전극구조와 HIT 구조의 장점을 모은 구

조이다. 기존의 HIT 구조는 전면 TCO층과 비정질층에서 빛의 손실이 발생하며 전

면전극과 TCO 사이의 접촉저항으로 인해 Jsc 및 FF의 손실이 있다. HBC 구조는

IBC 구조를 적용하여 전면전극을 없애고, 후면에 비정질 p+ 층을 형성함으로써 전

면에서의 손실을 최소화하고, 후면 비정질층의 저항을 낮춰 FF를 향상시킨다. 높은

bandgap을 가지는 비정질층을 이용하여 후면전계를 형성하였기 때문에 기존의

homo-junction 태양전지에 비하여 높은 개방전압값을 가질 수 있다.

출처 : Panasonic Corporation

그림 2-16. HBC 태양전지

- 26 -

2.2.5 Sharp

2013년 기준 약 2.0 GW 라인에서 결정질 실리콘 태양전지를 생산하고 있다.

2010년부터는 n-type 웨이퍼 기반 고효율 태양전지인 후면전극형 태양전지 (Back

Contact Cell)를 개발하여, 200MW급 라인에서 2011년부터 양산화를 시작하였다. [그

림 2-17]

N-type CZ 웨이퍼를 기반으로 하여 a-Si Heterojunction BJBC(Back-Junction

Back-Contact) 셀에서 최고효율 25.1%를 달성하여 보고한 바 있다.

출처 : Sharp Corporation

그림 2-17. Sharp의 n-type Back Contact 실리콘 태양전지

2.2.6 Sunpower

1970년대부터 특화된 태양전지 기술로 태양광 시장을 이끌고 있는 Sunpower는

현재 GW급 생산라인을 보유하며 First Solar와 함께 미국 태양광산업의 주축을 이

루고 있다. Sunpower의 고효율 태양전지는 n-type 웨이퍼 기반 all-back-contact

(back-junction, back-contact: IBC)구조로 2005년부터 연구를 시작해 2007년에 이미

volume production 수준에서 22.4%를 기록하였고 2010년 n-type wafer에 back

- 27 -

contact 구조를 적용하여 23%를 기록하며 세계 최고 수준에 이르렀다. 최근,

Passivated Contact BJBC 구조에서 최고 효율 25.0% 를 달성한 바 있다.

2014년 생산량은 1.3 GW 이며, 2015년 1.8 GW까지 증설한다고 보고하였으며, 기

존의 solar panel 라인 이외에 새로운 LCPV(Low Concentration PV) 라인을 설치할

계획이다. [그림 2-18] 또한, 2015년에는 애플과 파트너쉽을 체결하여 대규모 솔라

팜 사업을 진행중에 있다.

IBC 태양전지의 요소기술은 다음과 같다. [그림 2-19]

Lightly doped front diffusion: reduces recombination loss

‚ Texture + SiO2 + ARC

ƒ Backside Mirror: reduces back light absorption, causes light trapping

„ Localized contacts: reduce contact recombination loss

… Backside gridlines: eliminates shadowing, thick/high-coverage metal reduce

resistance loss

출처 : www.pv-tech.org

그림 2-18. SunPower n-type IBC 셀 생산계획

- 28 -

그림 2-19. SunPower IBC 태양전지 구조 및 요소기술

2.2.7 Hanwha (Hanwha SolarOne, Hanwha Qcell)

2012년 한화솔라원은 독일의 세계적인 태양전지 셀 생산업체인 Q-cell을 인수함

으로써 Q-cell 실리콘 태양전지 기반기술을 확보하고 한화큐셀을 출범하였다. 한화

솔라원은 태양광셀 및 모듈생산에 장점을 가지고 있으며, Q-cell은 세계적인 선도기

술 및 R&D 에 뛰어나기 때문에 세계시장을 겨냥한 사업 구조를 구축할 수 있었다.

2013년 한화큐셀은 생산규모 총1.1 GW로 증설하였으며, 2015년 상반기 국내 음

성공장과 하반기 말레이시아 공장 증설을 통하여 셀 3.28 GW, 모듈 3.23 GW로 세

계 태양광모듈 TOP3 capacity 보유가 가능할 것으로 예측된다.

한화는 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) [그림 2-20] 기술을 응용한 19.5%

효율의 다결정 실리콘 태양전지를 개발하였으며, 이 셀은 p-type 다결정 웨이퍼 위

에 SiNx passivation 과 금속전극 공정을 진행하고, 후면에 passivation 층을 형성하

고 point contact을 가진 구조이다.

- 29 -

출처 : 한화큐셀

그림 2-20. Hanwha의 p-type multicrystalline PERC 셀 구조

또한, 2013년 European photovoltaic solar energy conference and exhibition

(EUPVSEC) 에서 후면 Al 을 Physical vapor deposition(PVD) 법을 통해 형성하여

n-type 후면 에미터 셀에서 개방전압 673mV, 단락전류 39.8mA/cm2, FF 79.5% 를

확보하면서 21.3% 효율을 보고한 바 있다.

- 30 -

제 3 장. N-type 실리콘 태양전지 기술

그림 3-1은 다양한 실리콘 태양전지의 효율과 가격과의 상관관계를 나타낸다.

최종목표는 고효율과 저가를 동시에 만족하는 셀 및 양산기술을 개발하는 것이다.

최근에는 n-type의 박형 웨이퍼를 이용하여 효율과 가격을 동시에 만족하기 위한

기술개발이 진행중에 있다. 특히 n-type 웨이퍼 기반 태양전지 중에서 HIT, Back

Contact 셀은 박형 웨이퍼를 적용하기에 용이한 구조이다.

그림 3-1. 고효율 실리콘 태양전지의 효율과 가격의 상관관계

- 31 -

3.1 N-type 실리콘 태양전지 요소기술

N-type 웨이퍼 기반 실리콘 태양전지의 고효율화를 위한 요소기술은 다음과

같다.

3.1.1 Emitter 형성 (Boron 도핑) 기술

불순물의 확산 방법은 결정성장 중에 불순물이 주입되는 경우와 결정이 성장한

후 표면을 통해 불순물이 주입되는 경우로 나눌 수 있다. 결정이 성장되는 중에

불순물이 주입되는 경우는 태양전지 제조 공정에서 그다지 많이 사용되지 않는

방법이며 태양전지 제조 공정에서는 주로 이미 준비된 결정질 실리콘 웨이퍼

표면에서 도포 및 열처리 공정에 의해 불순물이 주입되는 방법이 사용된다.

결정의 격자가 이미 고정되어 있는 웨이퍼 기판에 불순물이 확산되는 경우는

기상확산법, 고상확산법, 이온주입법 등 세 가지 형태로 개발되어 사용 되고 있다.

이러한 불순물 확산법을 불순물의 도핑(Doping)이라고 이야기한다.

n-type 실리콘 웨이퍼를 이용하여 태양전지를 제작할 경우, 에미터(Emitter)를

형성하기 위한 Dopant 로서 가장 일반적으로 사용되는 물질은 붕소(Boron) 이다.

붕소의 소스로는 B2H6, BF3 등이 이용되며 가장 일반적으로 사용되는 도핑 소스는

BBr3 이다.

도핑은 2단계로 나누어져 진행되며, 첫 단계가 선증착 (Pre-deposition) 이며, 두

번째 단계가 확산 (Drive-in)이다. 확산 공정을 하려는 기판을 Quartz Boat에 올려

놓은 후에 일반적으로 저항 가열 방식의 Quartz Tube에 Loading 한다. 기판은

Furnace의 한쪽 끝에서 Loading과 Unloading을 하며 반대쪽 끝에서 공정에

사용되는 가스를 주입한다.

BBr3 을 Bubbling하여 질소 기체로 Furnace 내부로 주입한다. 여기에 산소를

도입하여, 먼저 선증착을 진행하며, 확산하기 이전에 B2O3를 형성한다. 이러한

반응식은 다음과 같다.

4BBr3 + 3O2 → 2B2O3 + 4Br3 (1)

다음 단계인 확산에서 Boron은 높은 온도에 의해 웨이퍼 내부로 확산되어 간다.

Boron의 농도는 웨이퍼 표면에서 최대이며, 내부로 들어갈수록 줄어든다. 확산

반응식은 다음과 같다.

- 32 -

2B2O3 + 3Si = 4B + 3SiO2 (2)

붕소는 p-type 기판의 에미터 형성에 사용되는 인에 비해 높은 온도에서 확산

공정을 진행하게 된다. 붕소를 도펀트로 이용하여 n-type 기판을 기반으로 한

에미터를 형성할 때 실리콘 내부의 고용한계치를 넘은 붕소가 표면에 축적되게

되는데 이를 boron rich layer (BRL) 이라고 표현한다. BRL은 실리콘과 보론의

화합물로 SiBn 형태를 가지는 안정한 화합물로 HF 또는 BOE에서 단시간에

제거되던 Phosphosilicate glass(PSG) 에 비교하여 제거가 어렵다. BRL은 수십

nm에서 수백 nm의 두께를 가지는 막으로서 비정질 매트릭스 내에 결정상이

존재하는 것으로 알려져 있다. [그림 3-2]

BRL은 저항이 낮아 전기적으로 우수한 특성을 보이나, 단파장대의 반사도가

높고, 소수 반송자 수명을 저하시킨다. 따라서, 고효율 태양전지 제작을 위해서는

제거되어야 한다. 최근 in-situ oxidation 공정이나 확산 공정의 최적화를 통하여

표면 BRL을 제거하는 기술이 개발되고 있다.

출처 : Thin Solid Films, 564, (2014), 253-257

그림 3-2. Boron rich layer의 단면 TEM 사진

- 33 -

3.1.2 Ion Implantation

Boron을 이용한 확산공정은 Phosphorus에 비하여 도펀트의 프로파일 조절이

어려우며, 표면의 BRL의 제거가 어렵다는 단점이 있다. Ion Implantation은

Dopant의 Carrier 농도를 독립적으로 조절할 수 있으며, 단면 공정 및 패턴 형성이

가능하다는 장점을 가지고 있기 때문에 n-type 실리콘 웨이퍼의 에미터 형성법

으로 자주 응용되고 있다.

또한 태양전지 에미터에 맞춘 낮은 전압 및 dose량으로 이온 주입이 가능한

implanter가 개발 중이며 양산라인의 저가격 및 높은 처리량을 달성하기 위해 연구

중에 있다.

하지만 높은 에너지로 가속화 된 이온이 실리콘 표면과 충돌하여 기판의 손상을

발생시킨다. 그림 3-3는 보론 프로파일을 통해 계산한 누설전류 (Simulated J0P+) 와

실험 후 측정한 누설전류 (Measured J0P+) 를 보여준다. 두 그래프 사이의 차이는

이온 주입시 발생한 기판의 손상이 제거되지 않았을 경우이다. 충분한 온도에서

열처리가 진행되지 않을 경우, 기판 표면 뿐 아니라 내부에서도 손상이 남아

태양전지의 전체 효율 저하를 가져오기 때문에 고효율 태양전지 제작을 위해서는

잔존 손상을 최소화 하는 것이 필요하다.

출처 : T.Ratcliff ,Influence of implantation damage on emitter recombination

그림 3-3. 프로파일을 통해 계산한 누설전류와 실험 후 측정한 누설전류

- 34 -

3.1.3 Passivation

태양전지의 내부에서 광자의 흡수를 통해 생성된 전자-정공 쌍은 금속 전극을 통

해 수집되어 외부에 에너지를 공급하게 된다. 하지만 생성된 전자-정공 쌍의 일부

는 재결합(recombination)을 통해 소멸하게 되는데 이러한 재결합은 기판 내부에서

발생하는 재결합과 기판의 표면에서 발생하는 재결합으로 구분할 수 있다. 기판 내

부에서 발생하는 재결합은 다시 radiative recombination, auger recombination, 그리

고 SRH recombination으로 분류할 수 있는데, 이러한 재결합 손실 중에서 SRH

recombination과 기판 표면에서의 재결합은 passivation 공정을 통해 상당 부분 줄일

수 있다.

20% 이상의 고효율 결정질 실리콘 태양전지를 얻기 위해 가장 중요한 공정의

하나는 기판의 양쪽 표면을 passivation 하는 과정이다. 표면의 처리가 중요한

이유는 고효율 태양전지의 emitter와 base 영역에서 소수 carrier의 확산 거리가 이

영역의 두께를 넘어서기 때문이다. 결과적으로 태양전지의 전체 영역이 전기적으로

활성화됨으로써 이러한 태양전지 내부의 모든 부분에서 빛의 흡수에 의해 생성된

carrier가 재결합될 수 있다.

표면에서의 재결합을 줄이기 위해서는 두 가지의 서로 다른 접근 방식이 있다.

표면에서의 defect state의 감소

‚ 표면에서의 전자 및 정공의 밀도 감소

그림 3-4는 실리콘 표면에서 SiNx와 Al2O3 passivation 층이 각각 n형과 p형에 증

착됨으로써 표면의 재결합을 줄이는 두 가지 매커니즘을 나타낸다. 첫 번째는 표면

의 defect state를 줄이는 방식이다. 실리콘 표면의 dangling bond에 비정질 물질을

화학적으로 결합시킴으로써 carrier의 재결합이 일어날 수 있는 trap state를 제거해

준다. 이러한 방식의 passivation을 chemical passivation이라 부른다.

이와는 다르게 표면에서의 전자 또는 정공의 밀도를 감소시켜 서로 다른 carrier

간의 재결합을 감소시키는 방식이 있다. 실리콘 표면에서의 전자 또는 정공 밀도를

감소시키기 위해서는 표면을 도핑하거나 표면에 전하밀도를 가지는 비정질 물질을

증착하여 전기장을 형성시켜 준다. 형성된 전기장은 표면의 전자 또는 정공의 밀도

를 감소시킨다. 따라서 이는 field-effect passivation이라 부른다.

현재까지 개발된 모든 태양전지는 이러한 두가지의 표면 passivation 방법을

적용하고 있다. 실리콘 기판 표면의 defect state를 줄이기 위해 사용하는 일반적인

- 35 -

방법의 하나는 900-1000°C 정도의 고온에서 산화막을 표면에 성장시키는

방법이다. 비저항이 높은 실리콘 기판에 이러한 방법을 도입함으로써 낮은 surface

state를 유지할 수 있다.

그림 3-4. 실리콘 태양전지의 chemical passivation과 field-effect passivation

두번째 방법은 실리콘 표면 아래에 전기장을 형성시켜 구현할 수 있다. 이는 pn

접합을 만드는 과정을 통해 얻어진다. 확산 영역에서 dopant의 농도가 표면으로

갈수록 증가하면 결과적으로 표면에 생성된 전기장이 소수 carrier를 pn 접합면이

있는 emitter의 안쪽으로 미는 힘으로 작용한다. 이러한 과정을 통해 소수 carrier의

밀도가 표면에서 줄어들게 되고 따라서 표면에서의 재결합 손실이 감소한다.

Dopant의 도핑 농도가 표면으로 갈수록 증가하는 도핑 profile은 태양전지의

후면에도 적용할 수 있다. 만일 도핑 profile이 셀의 base 물질과 같은 극성을

가지고 있을 경우에 이를 high-low junction 혹은 BSF(back surface field)라 한다.

- 36 -

특히, BSF가 base의 전체 공간에서 모두 작용하는 경우 이러한 태양전지를

drift-field 태양전지라 부른다. 반대로 도핑 profile이 base 물질과 다른 극성을

가지면서 전기적으로 접촉되어있지 않으면 이를 floating junction이 형성되었다고

말한다.

Dopant의 확산과는 다르게 반도체 표면의 아래에 원하는 전기장을 만들 수 있는

방법으로 표면이나 표면 위에 증착한 유전체에 오랫동안 안정된 상태로 존재할 수

있는 고정된 전하를 이용하는 방법이 있다. 실리콘에 증착되어 있는 대부분의

유전체 물질은 표면 전하를 형성하게 되는데, 이러한 표면 전하에 의한

passivation이나 전기장 효과에 의한 passivation은 이미 다양한 실리콘 태양전지에

적용되어 왔다. 아마도 가장 잘 알려진 예로서는 inversion-layer 태양전지를 들 수

있는데, 실리콘 표면에서의 전하밀도가 매우 높아 실리콘 표면에 역전층이

만들어진다. 실리콘 inversion-layer 태양전지를 만들 수 있는 유전체 물질 중에서

가장 성공적으로 적용된 예는 plasma를 이용한 silicon nitride를 들 수 있다.

n-type 실리콘 기반 태양전지 제작을 위해서는 기존의 Silicon nitride 패시베이션

층 외의 패시베이션 막을 고려해야 한다. Al2O3는 p-type 에미터의 패시베이션

막으로 사용되는 대표적인 물질이다.

3.1.4 ALD of Al2O3 passivation layer

2000년대 중반 이후에 ALD (atomic layer deposition) 방법으로 성장시킨 알루미늄

산화물(Al2O3) 박막이 저저항의 p형 및 n형 실리콘 기판의 표면 passivation에 매우

유용하다는 사실이 알려지기 시작했다.

Al2O3가 본격적으로 사용되기 시작한 이유는 두 가지로 정리할 수 있다.

p형 실리콘 기판을 이용한 태양전지의 경우 효율 증가를 위하여 후면

Al-BSF를 대체할 수 있는 물질이 필요했다. Al2O3는 후면 passivation 역할을 하여

carrier의 재결합 손실을 줄여주며, 내부 반사를 증가시키고 웨이퍼 두께가

얇아짐에 따라 나타나는 웨이퍼의 '휨' (bowing) 현상을 줄여주는 역할을 수행하기

때문에 태양전지의 고효율화를 실현시키는 데 기여하고 있다.

‚태양전지의 고효율화를 위하여 n형 실리콘 기판을 사용하게 되면서 전면 p+

emitter의 passivation이 필요하게 되었다. Al2O3의 negative fixed charge는 chemical

passivation 뿐 아니라 field-effect passivation을 통해 표면 재결합 손실을 감소시켜

변환 효율을 향상시켰다.

- 37 -

그림 3-5는 p형 및 n형 태양전지에 적용된 Al2O3의 후면 또는 전면 passivation을

보여주고 있다. 왼쪽은 n형 태양전지의 전면 passivation을 막으로 Al2O3를 적용한

구조를 보여주고 있으며, 오른쪽은 p형 실리콘 기판으로 제작한 PERC 구조의 태양

전지에서 후면 passivation을 위해 사용된 Al2O3 막을 보여주고 있다. Al2O3는 결정질

실리콘 기판에 증착하고 열처리를 하게 되면 박막 내부에 다량의 negative fixed

charge를 보유하게 되는데, 이러한 전하는 주로 Al2O3 박막과 결정질 실리콘 기판의

경계면에 위치한다. 경계면에 위치한 negative charge는 매우 강한 전기장을 실리콘

표면의 p+ 영역에 형성하게 되어 thermal oxide로 얻을 수 있는 만큼의 낮은 표면

재결합속도를 보이게 된다.

그림 3-5. Al2O3를 이용한 전면(left) 및 후면(right) passivation

서로 다른 passivation 물질의 passivation mechanism은 corona charging 실험을

통하여 구분 지을 수 있다. 그림 3-6은 a-SiNx:H, SiOx와 Al2O3의 corona charge

density에 따른 effective SRV 결과이다. a-SiNx:H와 SiOx는 PECVD를 이용하여 각각

80 nm, 50 nm로, Al2O3 는 ALD를 이용하여 30 nm 증착되었다. a-SiNx:H는 소성 공

정을 거쳤으며, SiOx와 Al2O3는 각각 H2/N2, N2 분위기에서 400oC 로 열처리되었다.

corona charging 실험 결과, a-SiNx:H와 SiOx보다 Al2O3의 effective SRV 값이 낮은

것으로 미루어 보아 Al2O3의 chemical passivation 성능이 더 우수한 것을 확인할 수

있다. 또한, a-SiNx:H와 SiOx는 positive fixed charge를 가지는 반면, Al2O3는

negative fixed charge를 나타내며 negative fixed charge density(Qf)는 5x1012 cm-2로

Al2O3의 field-effect passivation 성능 또한 a-SiNx:H와 SiOx보다 우수하다.

- 38 -

결론적으로 이러한 negative fixed charge로 인하여 Al2O3는 태양전지의

고효율화에 기여하였다. 일반적으로 p형의 실리콘 기판을 이용한 태양전지의 전면

passivation을 위해 사용하는 SiNx 막은 positive fixed charge를 가지고 있기 때문에

n형의 실리콘 기판을 이용한 태양전지의 전면 passivation에는 적당하지 않다.

반면에 Al2O3 막은 negative fixed charge를 가지고 있어 n형 태양전지 전면의 p+

emitter에 증착함으로써 효율적인 passivation이 가능하다.

출처 : Journal of Vacuum Science & Technology A 30, 040802 (2012)

그림 3-6. Passivation 막 종류에 따른 corona charging 실험 결과

Al2O3 증착을 위해 현재 일반적으로 사용되고 있는 ALD 방법은 증착 속도가 낮

아 Al2O3를 증착하기 위한 다른 방법들에 대해서도 연구가 진행되고 있다. 가능성이

높은 방법으로는 PECVD와 RF sputtering이 있는데, 두 방법으로 Al2O3 막을 성장시

킨 경우에도 저농도로 도핑된 p-type 표면에 대해서는 높은 수준의 표면

passivation 효과를 얻을 수 있었다. 하지만 아직은 두 가지 방법 모두 고농도로 도

핑된 p+ 표면에는 적용되지 못하고 있다. 고농도로 도핑된 p+ 표면의 passivation을

위해 증착시킨 ALD Al2O3 단일막은 일반적인 금속 열처리 공정에 대해 상대적으로

안정적이라는 것은 이미 알려져 있다.

- 39 -

그림 3-7은 다양한 passivation 물질들의 Dit 값과 Qf 값을 나타낸다.

출처 : “5th Silicon PV”2015

그림 3-7. Passivation materials

3.1.5 N-type 태양전지의 전극형성 공정

N-type 실리콘 태양전지는 boron emitter에 전극을 형성한다. Boron emitter에 Ag

paste로 전면 전극을 형성하면, 접촉 특성이 떨어진다. 그 원인은 Ag가 boron

emitter에 결정 성장이 잘 이루어지지 않기 때문이다. 전면 전극의 형성

mechanism에 관한 이론이 확립이 되지 않아 여러 연구자들이 결정 성장 과정에

대해 의견이 분분하다. 또한, boron emitter에 Ag가 결정 성장이 원활하지 않은

이유에 대해서도 의견이 대립되고 있다. Ag paste의 대안으로 소량의 Al을

첨가하여 Ag/Al paste를 n-type 웨이퍼 기반 실리콘 태양전지에 사용하고 있다.

Ag/Al paste는 낮은 온도에서도 Al이 Si과 반응하여 접촉이 형성되므로, 우수한

접촉 특성을 보여준다. 하지만, 상대적으로 높은 line 저항과 shunt 현상이 발생되는

단점이 있다.

- 40 -

출처 : Stefanie Riegel, University of Konstanz

그림 3-8. Ag/Al paste를 이용하여 boron emitter에 전극 형성 후의 표면 형상; (a)

Al이 Si과 반응하여 contact spot 형성 (b) contact spot의 EDX scan

출처 : Susanne Fritz, University of Konstanz

그림 3-9. Ag/Al paste로 형성된 단면 형상

그림 3-8은 Ag/Al paste로 boron emitter에 전극을 형성한 후의 표면 형상을

보여준다. Al이 Si과 반응하여 사각형 모양의 contact spot이 형성되며, 이 부분을

- 41 -

EDX scan 하면, Si, Al, Ag 등의 원소가 검출된다. 대부분의 contact spot은 Al과 Si

으로 채워져 있다.

Ag가 형성된 부분을 단면 형상으로 자세히 살펴보면, Ag/Al contact spot이 Si

웨이퍼에 inverted pyramid 형태로 생성됨을 알 수 있다. [그림 3-9]는 접촉 깊이가

1um 이상 형성되어, silicon base와 맞닿아 shunt 현상이 일어나게 된다. 이로 인해

태양전지의 전기적 특성이 떨어진다. 따라서 현재 사용되고 있는 Ag/Al paste를

대체할 수 있는 새로운 paste를 개발하거나, 기존의 Ag paste를 n-type 실리콘

태양전지에 적용하는 기술이 요구된다.

3.1.6 Current Transport Mechanisms

프린팅법을 이용하여 형성된 전극의 전도 메커니즘은 현재까지 이론이 확립되어

있지 않아 여러 연구자들의 주장이 대립되고 있다. 프린팅법은 evaporation이나

plating과는 다르게 전기적 barrier인 glass가 포함되어 있기 때문에 상대적으로

current transport가 원활하지 않다. 따라서, 실리콘과 전면 전극 간의 접촉 저항이

대개 높은 값을 갖는다. 실버 페이스트를 이용한 프린팅법으로 전면 전극을 형성할

때, 소성 공정 동안 페이스트에 포함되어 있는 glass가 주로 bulk 실버와 실리콘 사

이에 위치하게 된다. 그리고 실리콘 표면에 실버가 crystallite 형태로 성장하고,

glass 내부에 실버 파티클이 분포하게 된다. 현재까지 제안하고 있는 current

transport mechanism은 크게 세 가지로 구분할 수 있다. [그림 3-10]

bulk 실버와 실리콘의 직접적인 접촉에 의한 transport 이다. 그림 1-39의 ①과 같

이 bulk 실버와 실리콘 사이에 glass가 존재하지 않을 때, 실리콘에서 전면 전극으

로 직접 연결이 가능하다.

‚그림 1-39의 ② bulk 실버와 실리콘 사이의 얇은 glass 층으로 인해 tunneling으로

current transport가 이루어진다는 주장이다. 실리콘 표면에 생성된 실버 crystallite

는 glass로 둘러쌓여 있으므로, tunneling에 의해 current transport 된다는 이론이다.

ƒ마지막으로, 그림 1-39의 ③과 같이 glass 내에 형성된 실버 파티클에 의한

hopping으로 tunneling current가 일어난다는 주장이다. Glass는 실버-실리콘 계면의

넓은 부분을 커버하고 있고 그 내부에 실버 파티클들이 무수히 많이 포함되어 있기

때문에, hopping에 의한 tunneling current transport가 발생한다는 이론이다.

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만약, 실리콘 표면이 텍스쳐가 되어 있으면, bulk 실버와 실리콘의 직접적인 접촉

이 주로 이루어질 것이다. 텍스쳐된 피라미드 실리콘의 높이는 대개 수 ㎛ 이고,

glass 층의 두께는 보통 1㎛ 보다 얇기 때문에 피라미드 실리콘의 꼭대기 부분에 형

성된 실버 crystallite가 bulk 실버와 직접 접촉을 할 가능성이 크다. 하지만, 스크린

프린티드 컨택 mechanism에 대한 이해가 여전히 부족하다. 페이스트의 조성과 소성

조건 등에 따른 current transport mechanism을 연구해 볼 필요가 있다.

출처 : Mohamed M. Hilali, Georgia Institute of Tech.

그림 3-10. Current transport mechanism

- 43 -

제 4 장. 국내 태양전지 산업 현황 및 전략

4.1 국내 태양전지 산업 및 기술개발 현황

현재 국내 태양광 산업은 결정질 실리콘 value chain을 중심으로 구성되어 있

으며, 폴리실리콘 및 셀과 같은 대형설비가 필요한 분야는 대기업 위주(OCI, 현대

중공업, LG전자, 한화 등)로 사업이 추진되고 있으며, 시스템 사업 및 부품소재/제

조장치 사업의 경우, 중견·중소기업(대주전자, 주성엔지니어링, IPS 등)을 중심으로

사업이 형성되어 있다.

그림 4-1은 국내 결정질 실리콘 value chain 별 기업 현황을 나타낸다. 태양전

지 사업은 LG전자, 현대중공업, 신성솔라에너지 등을 중심으로 시장 진입에는 성공

하였으나 기술적 진보에 비해 가격 경쟁력 확보를 위한 생산 규모가 여전히 Top

Tier 업체 대비 작아서 규모의 증대가 필요하다. 현재 국내 태양전지 및 모듈 전체

생산용량은 중국의 Top Tier 업체 1곳의 생산용량보다 적다. [그림 4-2] 또한, 관련

부품소재 및 제조장치의 경우, 여전히 외국업체의 제품 우수성으로 인하여 국내 중

소·중견기업 중심의 부품소재 및 제조장치의 국산화 개발도 미흡한 상태이다.

그림 4-1. 국내 태양광업체 현황

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출처 :　한국수출입은행, 2015

그림 4-2. 국내 결정질 실리콘 value chain 별 생산규모

국내 박막태양전지 산업은 삼성 SDI, LG 이노텍, 현대아반시스, SK 등에서 사업화

를 시도하였으나 결정질 실리콘 태양전지 대비 기술 및 가격 경쟁력을 확보하지 못

하여 시장 진입에 실패한 상태이다.

고려대학교 태양광연구센터 김동환 교수팀은 6인치 공정을 진행할 수 있는 팹(실

리콘 태양전지 원천기술연구센터)을 보유하고 있으며, p-type 결정질 실리콘 스크린

프린티드 태양전지로 19.2%를 기록하고 있다. 또한, 양산공정에 적용할 수 있는

n-type 스크린프린티드 태양전지 제작공정을 개발하여 6인치에서 17.5%의 효율을

기록하였으며, 그밖에도 후면전극형 실리콘 태양전지의 경우 implantation 공정을 이

용하여 20.3%의 효율 기록을 보유하고 있다. 최근 26% 초고효율 실리콘 태양전지

[그림 4-3] 개발을 위한 국책과제 주관기관으로 선정되어 연구개발을 진행 중에 있다.

핵심 기술 개발로는,

저온 소성용 미세선폭 금속전극 형성

‚Wide bandgap 에미터 기술개발

ƒ새로운 tunnel oxide 물질 개발

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그림 4-3. 26% 초고효율 실리콘 태양전지 구조

그림 4-4는 국내 주요 태양전지 업체의 연구개발 현황을 나타낸다.

그림 4-4. 국내 주요 태양전지업체 연구개발 현황

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4.2 국내 태양전지 기술개발 전략

정부는 3차 신재생에너지기술개발 및 이용․보급 기본계획(‘08~’30)를 수립하여, 국가에너지기본계획과의 정합성을 고려한 단계별 목표를 설정하고 전략을 수립하였

다. 이 계획에 의하면, 신재생에너지의 신성장 동력화 및 2030년 1차 에너지의 11%를

신재생에너지로 대체하는 것이 목표이다. 기본방향으로 자원고갈 및 기후변화 등 신

재생에너지를 둘러싼 정책 환경 변화에 효율적으로 대응하고 핵심 분야에 태양광

발전 포함시켰다. 그림 4-5는 신재생에너지 기본계획 목표 및 세부전략을 나타낸다.

그림 4-5. 3차 신재생에너지 기본계획 목표 및 세부전략

국내 태양전지 산업의 발전, 고용창출, 매출 확대 및 해외수출 증대를 위해 분야

별 시장 상황에 맞는 R&D 기획 방향이 필요하다. 태양전지 기술개발 투자 포트폴

리오는 각 분야별 시장점유율 및 시장 성장률을 기준으로 하여 분야별 투자매력도

를 고려해야할 것이다.

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기술개발 전략 방향으로서 결정질 실리콘 태양전지 기술은 시스템 단가 저감 및

신규 시장 창출이 핵심인바 발전 시스템(융복합 포함), 공용 부품․소재․장비 기술 확보에 집중하며, 이에 대응하는 기술 개발이 필요하며, 향후 기술별 전략품목의 한계

를 뛰어넘는 미래 융합 혁신기술이 도출 가능한 기반을 조성해야할 것이다.

최근에 한국에너지기술평가원(KETEP)에서는 비전로드맵을 수립하여 비용분석, 시

장예측, 핵심지표(용도별, 기술별) 선정 등을 통해 시장 진입 로드맵 제시하여, 민간

의 창의적 R&D 추진을 유도하고 지원할 수 있는 방안을 마련하였다. 이 로드맵은

결정질 실리콘 태양전지를 기반으로 작성되었다. [그림 4-6]

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출처: KETEP

그림 4-6. 2013 에너지기술 비전로드맵(태양광)

이 비전로드맵에 따르면 결정질 실리콘 태양전지 기술개발 목표는 박형 웨이퍼를

이용한 고효율 태양전지 개발이다.

그림 4-7은 그린에너지 전략로드맵으로 태양전지 종류별 기술개발 전략이 수립되

어 있으며, 결정질 실리콘의 경우 장비 및 소재개발을 포함하여 단기/중기/장기 기

술개발 전략이 수립되어 있다.

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출처: KETEP

그림 4-7. 그린에너지 전략로드맵

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미래 전력산업은 태양광발전을 중심으로 변화될 것이다.

분권형 에너지 시대 : 대형 전력 및 발전사에 전적으로 전력공급을 의존하던 것

에서 벗어나 소비자가 직접 전력을 생산하고 소비하는 에너지 프로슈머(producer

+consumer) 시대가 도래할 것임. 지역, 커뮤니티 중심으로 필요한 전력을 생산 및

소비하고 잉여전력은 판매하는 분산 전력거래

‚ 전력사업자의 다양화 : 기존의 전력, 발전회사에서 벗어나 IT 기업, 전자회사, 자

동차 회사 등이 태양광 발전을 이용한 전력사업 참여. 일본에서는 2016년부터 가정

용 전력소매업이 완전 자유화 됨. 이에 따라 소프트뱅크(IT), 파나소닉(전기·전자),

혼다·도요타(자동차)가 태양광 발전 이용한 전력소매업에 진출함.

ƒ 융·복합 사업화 : 지능형 전력관리시스템(스마트미터, 수요관리시스템, 자동검

침), 데이터 시스템(전력 데이터 처리 및 제어, 데이터 플랫폼), 에너지 저장장치 등

과의 융·복합으로 전력사업 구조 변화. GE, IBM, Google, Siemens, Toshiba 등 글

로벌 다국적 기업들이 전력사업의 구조변화에 대비, 태양광 시스템과의 융·복합을

통한 소비자 중심의 전력사업 구조 개편

이러한 트렌드에 맞춰 태양전지 기술개발 전략을 수립하여 새로운 시장을 창출하

고 새로운 신성장 동력산업으로서의 가치 창출을 위해 정부의 지원과 산학연 연계

연구가 필요하다. [그림 4-8]

출처: 한국수출입은행(‘13.5), 2014년 세계 태양광산업 전망

그림 4-8. 태양광 산업의 Life Cycle

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제 5 장. 결 론

태양광산업은 수년간 구조조정기[2011~2013]를 지나 본격적인 2차 시장 성장기로

진입하고 있다. 향후 수년간 20% 이상의 지속적 성장을 바탕으로 연간 50 GW 이상

의 설치량 및 연간 120조원 이상의 시장이 형성될 것으로 기대하고 있다. Grid

Parity를 달성한 유럽을 중심으로 한 시장에서 중국, 일본, 미국으로의 시장 확대와

함께 중동, 동남아시아, 남미로 급격하게 시장이 확대되고 있다.

또한, 태양광산업은 기존 대규모 발전용 시장에서 가정용 시장으로 시장이 확대

되고 있으며, 생산과 소비의 간격이 좁아지는 Prosumer Type 시장이 확대되고 있

다.

기술적인 트렌드는 보다 저렴한 재료를 이용하고 공정비용을 줄여 태양전지 및

모듈의 가격을 낮추면서 우수 성능을 얻는 방향으로 진행되고 있다. 태양광 시장의

새로운 2차 성장기를 대비하여 태양광 발전시스템의 핵심소자인 태양전지의 고효율

화 기술개발 경쟁이 치열하게 이루어지고 있다.

한국 태양광 산업은 결정질 실리콘을 중심으로 구성되어 있으며, 원재료인 폴

리실리콘 및 태양전지 셀과 같은 대형설비가 필요한 분야는 대기업 위주(OCI, 현

대중공업, LG전자, 한화 등)로 사업이 추진되고 있으며, 시스템 사업 및 부품소재/

제조장치 사업의 경우, 중견·중소기업 중심으로 사업이 형성되어 있다. 국내 기업

들 중에서 한화그룹이 유일하게 결정질 실리콘 value chain을 수직계열화 하여 태

양광사업을 진행하고 있으며, LG전자, 현대중공업, 신성솔라에너지 등은 태양전지

셀 및 모듈의 양산을 주력사업으로 하면서 최근 발전 사업까지 영역을 확대하고 있

다. 하지만 국내 기업들의 경우 성공적으로 시장 진입에는 성공하였으나 향후 세계

시장에서의 경쟁력 확보를 위해 생산 규모의 증대 및 자체 브랜드의 태양전지 기술

개발이 필요하다.

이러한 관점에서 한화그룹은 수직계열화 뿐만 아니라 생산 규모면에서도 글로벌

넘버 1을 차지할 정도로 공격적인 투자를 하고 있다. 최근에는 새로이 국내에 1.5

GW 셀 및 250 MW 모듈 공장을 각각 짓는다고 발표하였다. 그리고, LG전자의 경

우, 자체 브랜드의 초고효율 프리미엄 제품개발 전략을 수립하여 6인치 N타입 웨이

퍼 기반 실리콘 태양전지 모듈인 네온을 성공적으로 양산하였으며, 올해에도 세계

최고 수준인 19.5% 모듈 효율을 가지는 320W 네온2를 출시하여 인터솔라 2015에서

태양광부문 본상을 수상하였다.

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이와 같이, 국내 기업들의 생존전략으로는 생산규모의 확대를 통한 경쟁력 강화

와 초고효율 프리미엄 개발을 통한 기술적 우위성 확보로 요약될 수 있다. 이러한

방향에서 뒤쳐지는 기업의 경우 향후 태양광 시장에서의 경쟁력을 가지기 어려울

것 같다.

정부에서도 이러한 시장변화에 맞춰 태양광 R&D 지원을 확대하고 있으며, 주요

목표로 저가 중국산 모듈(China Risk) 극복, 수직계열화 및 규모의 경제 구축,

주요 자원의 안정적 공급(Supply Chain) 이다. 향후 5-10년간 결정질 실리콘 태양전

지의 시장 지배력이 유지될 전망이기 때문에 주요 R&D 핵심 기술로 초박형

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