물리학과 첨단기술 July/August 2008 15

실리콘 박막 태양전지 기술

이 헌 민

저자약력

이헌민 박사는 KAIST 전기 및 전자공학과에서 질량 감지형 용적 탄성파 공진기를 이용한 마이크로 화학 센서 시스템에 대한 연구로 박사(1999-2005) 학위를 취득하였다. 1994년 LG전자기술원(구 금성중앙연구소)에 입사하여 Sensor system, 메모리용 Ferroelectric 물질, 및 RF MEMS에 대한 연구를 수행했으며 현재 Solar Energy 그룹 그룹장으로 Si Thin Film Solar Cell 및 Next Generation Solar Cell에 대한 연구를 수행하고 있다. (hmlee@lge.com)

참고문헌

[1] Kepler Equities, Sarasin bank, Lahmeyer, Solarbuzz 종합.

[2] W. Spear and P. LeComber, Solid State Comm. 17, 1193 (1975).

[3] D.E. Carlson and C.R. Wronski, APL 28, 671 (1976).

그림 1. Wafer 기반 태양전지의 원가 구조.

그림 2. Wafer 기반 태양전지와 박막태양 전지의 Value chain.

최근 태양 지 시장은 CAGR이 약 30 %에 달하는 무서운 속도

로 성장하고 있으며, 향후 2010년에는 모듈 시스템을 포함한

시장이 약 400억 USD 규모로 성장할 것으로 상하고 있다.[1] 이러한 태양 지 모듈 시장의 약 87%는 Wafer 기반 태양 지가

차지하고 있으나 최근 태양 지 cell 생산 능력과 수요에 비해

Wafer의 공 이 히 부족하여 원가 경쟁력 확보에 큰 차질을

빚고 있다. 이에 비해 박막 태양 지는 2가지 측면에서 큰 장 을

가지고 있다. 그 첫 번째는 제조비의 재료비 비 이 낮다는 것이다. 그림 1은 Wafer 기반 태양 지의 평균 인 원가 구조를 보여주고

있는데, 그림에서 알 수 있는 바와 같이 Wafer의 원가가 약 65% 그리고 체 인 재료비 비 이 82%에 달한다. 반면 실리콘 박막

태양 지의 경우 재료비의 비 이 약 55% 정도이다. 두 번째는

그림 2에서 볼 수 있는 바와 같이 사업의 가치사슬(Value chain) 상 박막 태양 지는 원재료를 이용해 바로 모듈을 제조하므로

Wafer와 Cell 제조 사업이 있는 Wafer 기반 태양 지에 비해 사업

상 하부 가치사슬에 한 의존성이 거의 없는 장 을 가지고 있다.박막 태양 지는 크게 실리콘 박막 태양 지와 화합물 박

막 태양 지(CIGS, CdTe)가 있으며 이 실리콘 박막 태양

지는 TFT-LCD 생산 기술을 기반으로 하고 있고 가장 일반

인 재료이면서 인체유해성이 없는 실리콘을 기반으로 하기

때문에 Wafer 기반 태양 지의 차세 태양 지로 각 받고

있다. 재 속히 성장하고 있으며 향후 상당기간 성장이 지

속될 것으로 상하고 있다. 본 기고에서는 이러한 실리콘 박

막 태양 지의 개발 역사, 소자 모듈 제조 기술, 제품

인 특징에 한 개 인 내용을 소개하고자 한다.실리콘 박막 태양 지의 역사는 멀리 1969년 이 시기로까지

올라가며 기에 아몰포스(amorphous) 실리콘 박막을 스퍼터링

(sputtering) 등의 방법으로 증착하는 것으로부터 시작된다. 이러

한 박막은 막 내부에 아몰포스 특유의 결함이 있어서 소자로서 사용

할 수 있는 수 은 아니었다. 그러나 1969년 실란(SiH4) 가스를 기반

으로 Glow discharge를 이용하여 수소화 아몰포스 실리콘 박막을

증착하게 되면서 이 의 비수소화 아몰포스 실리콘에 비해 결함

도가 낮아졌고 소자특성을 구 할 수 있는 박막을 증착하게 된다. 이후 1975년에는 phosphine과 diborane을 이용하여 p와 n도핑

을 할 수 있는 기술이 개발되었고,[2] 1976년 드디어 세계최 로

효율은 1~2% 의 실리콘 박막 태양 지가 개발되었다.[3] 이러한

실리콘 박막 태양 지의 상업 인 응용은 1979년 산요사가 자계

산기에 도입하는 데 성공하 고 이후 오늘날의 TFT-LCD 기술의

토 가 되었으며 태양 지 산업이 격히 발달하는 것과 더불어

향후 실리콘 박막 태양 지 기술의 지속 인 성장이 상된다.

소자 및 모듈제조 기술

실리콘 박막은 SiH4와 H2의 혼합 가스를 주입하고 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법으로 증

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그림 4. 실리콘 박막 태양전지 분류.

참고문헌

[4] D.L. Staebler and C.R. Wronski, APL 31, 292 (1977).

[5] J. Yang, and S. Guha, APL 70, 2975 (1997).

그림 3. 실리콘 박막의 분류.

착하게 되며, 여러 주변 성막 조건이 고정된 하에서 H2 가스 분량

이 총 가스에서 차지하는 양에 따라 그림 3에서 보는 바와 같이

크게 3종류의 박막이 증착될 수 있다. 여기서 아몰포스 상

(Phase)은 결정을 포함하고 있지 않은 상태이며 원자들의

배열이 비방향성 결합 구조(random network)를 형성하고 있다. 마이크로 결정(Micro)은 아몰포스와 결정상 모두가 구조 내에 존

재하나 그 기본 형상의 크기가 20 nm 가량이 된다. 반면 폴리 결

정(Poly)은 결정만으로 구성되어 있고 아몰포스 상은 포함되지

않은 구조를 가지고 있으며 그 기본 형상의 크기가 20 nm 이상

인 것을 특징으로 한다. 연구자에 따라서는 아몰포스 상과 마이

크로 결정상의 경계에 로토(Proto) 상이 존재한다고 얘기하는

데 이 상은 TEM(Tunneling Electron Microscopy) 분석으로 보

면 소수 원자들의 결정들이 상호간에 비방향성 결정구조를 보여

주면서 우수한 태양 지 특성을 갖는 상을 말한다.실리콘 박막 태양 지의 세 분류는 그림 4에서 보는 바와

같이 크게 3가지로 나 어 볼 수 있다. 먼 1세 는 단일 합

구조(Single Junction)로 아몰포스나 마이크로 실리콘 하나

의 박막을 흡수층으로 하는 박막형 태양 지이다. 가장 단순

한 구조이면서 제조원가가 매우 싸다는 장 이 있으나 안정화

효율이 6~7% 로 그리 높지 않다. 여기서 특히 안정화 효율을

정의하는 이유는 아몰포스 박막이 의 흡수에 따라서 열화되

는 특성을 보여주기 때문이다. 열화특성은 박막의 증착 조건이

나 사용된 장비의 사양 소자의 구조에 따라서 차이가 나겠지

만 략 기 효율의 15~25% 가량 열화되는 특성을 보여주며

열처리에 따라서 원래 기 효율이 회복되기도 한다.[4] 이 구조

에 해서는 부분의 실리콘 박막 태양 지 회사들이 양산하

고 있다. 다음으로 2세 형 실리콘 박막 태양 지의 구조는 아

몰포스와 마이크로 실리콘 박막의 두 개 흡수층을 갖는 이

합(Tandem Cell or Double Junction Cell) 구조를 가지고

있다. 이러한 구조는 효율이 9~11% 로 상 으로 높은 효

율을 보여 다. 하지만 1세 단일 합에 비해서 효율의 증가

정도가 크기 않고 공정은 2배 이상 복잡해지며 생산에 있어서

의 효율성도 매우 떨어지는 단 을 갖고 있다. 하지만 이 구조

를 이용한 고효율화와 고생산성화가 가능할 경우 사업 인

효과가 매우 크기 때문에 세계 으로 이 구조에 한 연구가

크게 각 받고 있다. 향후 생산성이 확보된 12% 이상의 상용

모듈이 개발될 경우 태양 발 소용 뿐만 아니라 지붕형 태양

지에서도 큰 효과를 가져올 것으로 상하고 있다. 재

지붕형 태양 지는 태양 지 모듈 시장의 반 이상을 차지하

고 있고 12% 이상의 높은 효율을 요구하고 있다. 이러한 2세 의 실리콘 박막 태양 지를 양산하고 있는 회사는 일본의

Kaneka사와 Mitsubishi Heavy Industry사가 표 이다. 마지막으로 3세 형 박막태양 지는 그림에서 보는 바와 같이 아

몰포스 실리콘 박막, 아몰포스 실리콘 마늄(a-SiGe:H), 마

이크로 결정 실리콘 박막을 각각 흡수층으로 사용하는 삼

합(Triple Junction Cell) 구조를 가지고 있다. 이러한 구조는

소형 Cell에서는 15% 이상의 높은 효율을 달성하 으나,[5] 면 제품에서는 아직 12% 이상의 높은 효율을 보여주지 못

하고 있다. 제조원가 측면에서 보면 아몰포스 실리콘 마늄 공

정에 의한 추가 인 설비가 요구되기 때문에 감가상각비 측면

에서 다소의 증가 요소를 갖고 있지만 효율에서 보상할 수 있

다. 한 제조 생산성 측면에서는 이 합에 비해 크게 떨어지

지 않기 때문에 기술력 여하에 따라 향후 제품의 가능성이 확인

될 수 있을 것이라 단된다. 이러한 3세 형 실리콘 박막 제품

을 보여주고 있는 회사는 일본의 Sharp사가 있다.단일 합 구조의 실리콘 박막 태양 지는 그림 5에서 보는

바와 같이 빛이 들어오는 방향에서부터 유리기 , 투명 도체

(TCO: Transparent Conducting Oxide), p 아몰포스, i 아몰포

스( 흡수층), n 아몰포스, 반사층(BR: Back Reflector)

속 극으로 구성되어 있다. 이러한 구조에서 이 입사하여

흡수층에 흡수되면 효과(Photo electric Effect)에 의해

자 정공 이 생성되고 p-i-n 합 구조가 만들어 주는 기

장에 의해서 자는 n층으로 정공은 p층으로 흐르게 된다. 이

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그림 6. 실리콘 박막 태양전지 모듈 단면구조.

참고문헌

[6] K. Yamamoto et al., Solar Energy Materials and Solar Cells

77, 939 (2004).

[7] J. Meier et al., Thin Solid Films 451-452, 518 (2004).

[8] O. Kluth et al., Thin Solid Films 442, 80 (2003).

그림 5. Tandem Cell의 동작 원리.

러한 p-i-n 합을 실리콘 박막 태양 지에서 특별히 용하

게 되는 이유는 실리콘 박막에서의 자 정공 수명(life time)이 짧기 때문에 소자 구조를 통한 기장으로 류를 최 한

흐를 수 있게 하기 한 것이다. 투명 도체 층은 일반 으로

입사한 의 경로를 증가시켜 주기 해 수 마이크로미터

크기에 이르기까지 Texturing 구조를 가지고 있으며 하부

속 극을 입히기 에 다시 투명 도체를 이용하여 반사

층을 만들어서 입사한 빛이 최 한 흡수층 내에서 가능한

긴 경로를 가지고 움직이도록 포집 구조를 만들어 다.이 합 구조는 아몰포스 단일 합 에 마이크로 실리콘

박막을 이용한 p-i-n 합을 추가하여 으로써 제작하게 되는

데 기본 인 동작원리는 아몰포스에 의한 상부 합 구조는 단

장 의 빛을 흡수하고 마이크로 결정 실리콘 박막의 하부

합 구조에서 장 장 빛을 흡수하도록 설계된 소자이다. 이러한 흡수를 최 화하기 한 구조는 상부 합과 하부

합이 의 최 분할 흡수를 하도록 각각의 흡수층 밴드 갭

을 최 화하여야 하며 직렬로 연결된 두 개의 다이오드가 최고

효율로 동작하기 해 류 생성 양을 일치시켜 주는 작업이

필요하다. 이러한 최 화 작업을 하게 되면 이 합 셀의 경우

아몰포스 실리콘 흡수 층은 약 200 nm 가량이 되고 마이크

로 결정 흡수층은 1,000 ~ 2,000 nm 가량이 된다.[6] 이러한

두께의 차이는 생산 라인의 생산 효율을 높이기 해 마이크로

결정용 박막 증착 장비의 과도한 투자를 요구하게 되고 이러한

투자는 기 투자비에 부담을 가 시키고 생산원가를 높이는

원인이 된다. 따라서 마이크로 결정 박막의 생산 효율을 높일

수 있는 방법에 한 근본 인 안이 필요하고 이를 해 매

우 다양한 PECVD 증착 시스템에 한 제안들이 있다.그림 6은 실리콘 박막 태양 지 모듈의 단면 구조를 보여주

고 있다. 모듈은 여러 개의 셀이 합쳐져서 형성되는데, 박막 태

양 지에서는 이 를 이용한 패턴 형성 기술을 이용해서 셀

을 형성하게 되고 이러한 셀이 다 의 이 패턴 공정을 거

치면서 자동으로 모듈 구조가 형성되도록 공정이 진행된다. 그

림에서 볼 수 있는 바와 같이 투명 극 층을 이 패턴한 후

아몰포스와 마이크로 결정으로 이루어진 흡수 층을 증착하

게 되고 이 층은 투명 극층에 손상이 생기지 않도록 이

패턴 기술을 이용해서 패턴을 형성한 후 극용 투명 도체와

속을 증착한 후 다시 이 패턴 기술을 이용해서 투명

극층과는 선택 으로 흡수 층을 포함한 극 층을 패턴함으

로써 인 한 셀들이 직렬로 연결되는 구조를 만들어 수 있

다. 이러한 공정 유의 은 모듈의 력, 류, 압 사양에

따라서 패턴의 폭과 길이를 결정해야 하고 패턴 간의 간격은

공정이 허용하는 범 에서 최 한 가깝게 형성하게 된다.실리콘 박막 태양 지 모듈을 제작하는 그 구체 인 공정 과정

은 그림 7과 같은 순서로 진행된다. 크게 투명 극을 포함한 기

을 비하는 과정, 실리콘 박막 증착 패턴 형성 과정을 통해

소자를 만드는 과정, 그리고 최종 으로 패키징(Packaging)하는 과정으로 이루어진다. 투명 극을 유리 기 에 증착하고

Texturing하는 방법은 크게 두 가지가 있다. 하나는 압 화학기

상증착법[7](LPCVD: Low Pressure Chemical Vapor Deposition)

으로 투명 극층을 증착하면서 Texturing이 자동으로 이루어

지게 하는 방법과 다른 하나는 스퍼터링 방법으로 투명 극 층

을 증착하고 염산을 포함한 용액을 이용해 Texturing하는[8] 방

법이다. 두 가지 방법은 소자 성능상의 차이는 크지 않으며 단

지 생산성이나 원가 경쟁력에 따라 선택할 수 있다. 흡수층

증착 패턴 공정은 모듈의 단면 구조에서 자세히 설명하 으

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그림 7. 실리콘 박막 태양전지 모듈 제조 공정 과정.

그림 8. AMAT 양산 공정 개념도.

그림 9. AZO Texturing 공정.

참고문헌

[9] M. Berginski et al., JAP 101, 7 (2007).

므로 다음 공정인 패키징에 해 바로 소개하면 다음과 같다. 패키징 공정은 모듈의 신뢰성에 향을 주는 매우 요한 공정

으로 이미 실제 사용 환경에서 검증된 Wafer 기반 태양 지에

서 사용하는 방법과 동일한 공정으로 제작한다. 먼 소자 제조

과정에서 형성된 극에 외부로 뽑아낼 극 와이어를 연결하

고 이것을 Junction Box와 연결한 후 패키징용 합 필름을

삽입하고 그 에 패키징용 덧 유리나 후면 Sheet를 덮은 상태

에서 라미네이션이란 패키지 공정을 수행함으로써 마무리하게

된다. 태양 지 모듈은 매우 극한의 환경에서 20년 이상의 수

명을 보장해야 하기 때문에 패키지 공정은 모듈 제조에 있어서

매우 요한 공정이며 잘 리되어야 할 공정이다.그림 8은 AMAT.사가 제안하고 있는 양산 턴키(Turn-key) 공

정 라인의 개념도를 보여주고 있다. AMAT.사는 기 의 크기가

Gen. 8.5이고 기 이 워서 PECVD 시스템에 들어가는 구조를

가지고 있다. AMAT.사의 핵심 인 제안 사항은 기 크기를

2.2×2.6 m2로 형 크기를 제안함으로써 이 합 Cell의 생

산성을 높이고 한 형 모듈을 이용한 제품 응용의 폭을 넓

힐 수 있게 했다는 이다. 재 일반 인 박막 태양 지 모듈의 크

기는 1.1×1.4 m2이다. 한 이러한 형 모듈은 도시의 건물 일

체형 태양 지 모듈(BIPV: Building Integrated PhotoVoltaics)에 합할 것으로 상하고 있으며 태양 발 소의 BOS (Balance Of System) 측면에서 원가 감에 기여할 것으로 상

하고 있다. AMAT.사 외에 턴키 모듈을 제공하는 회사는 스 스

의 Oerlikon사와 일본의 Ulvac사가 있으며 각각 차별 인 제품

가치를 제공하고 있다. Oerlikon사는 라즈마 박스에서 10개의

기 을 동시에 공정할 수 있는 PECVD 시스템과 투명 극층을

LPCVD 증착 방법으로 증착하는 방식이며, Ulvac사는 기 이 2매가 동시에 동일 챔버에 투입되고 기 이 서서 장입되는 방식의

In-line 방식의 PECVD 시스템을 제안하고 있다.실리콘 박막 태양 지의 양산에 있어서 주의하여야 할 과제

는 크게 3가지를 언 하고자 한다. 그 한 가지는 투명 극 층을

포함한 기 을 비하는 방식으로 LPCVD 방법과 스퍼터링 후

Texturing[9]하는 방법 어떤 방식을 선택하느냐에 따라서 주변

장치와 공정의 흐름에 큰 향을 미치게 된다. 경우에 따라서는

이미 Texturing 된 기 을 유리 기 문 업체로부터 도입하는

것도 가능하다. 그림 9는 최근 많은 연구가 진행되고 있는

Texturing된 AZO와 SnO2 박막을 보여주고 있다. 다른 하나는

PECVD 시스템을 어떤 방식으로 선택할 것인가인데 아마도 생

산성과 원가에 있어서 가장 큰 향을 미치는 요소로 특히 향

후 고효율 이 합 Cell의 생산을 고려해 선택하는 것이 요

하다. 마지막으로 이 패턴 기술인데 이 기술은 많은 노하우

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그림 10. Wafer 기반 모듈과 박막 모듈의 외관.

참고문헌

[10] S.M. Yi, et al., 한국태양에너지학회 추계학술발표회 논문집,

131 (2007).

그림 11. 실리콘 박막 태양전지 모듈.

그림 12. 온도와 평균 광 에너지에 따른 박막 태양전지의 모듈 특성.

(Know-How)를 요하는 부분이므로 철 한 검증이 요구된다.

실리콘 박막 태양전지 특성

그림 10은 실리콘 박막 태양 지와 Wafer 기반 태양 지의

외 을 보여주고 있다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 Wafer 기반 태양 지에 비해 실리콘 박막 태양 지가 미려한 편이다. 사실 외 상 문제가 되는 것은 오히려 Wafer 기반 태양 지가

모듈 상태에서 내부의 Wafer와 주변 속 배선의 모양이 보이

기 때문에 생기는 약 때문이다. 이러한 외 상의 문제는

BIPV와 같은 빌딩 일체형 제품의 경우 생활 주변에서 태양 지

모듈을 보이도록 설치하기 때문에 박막 태양 지 모듈이 더욱

장 을 가지고 있다고 볼 수 있다. 그림 11은 BIPV용으로 개발

된 투명 박막 태양 지 모듈을 보여 주는데, 그림에서 볼 수 있

는 바와 같이 투명 모듈의 투명도는 용도에 따라 1%, 5%, 10% 등과 같이 제작할 수 있다. 이러한 투명 박막 태양 지 모듈은

력을 생산할 수 있는 외장유리로써 건축물에 용이 가

능하며 향후 환경 이슈가 커짐에 따라 정책 으로 이러한

BIPV를 용한 건물이 더욱 늘어날 것으로 상된다.[10]

실리콘 박막 태양 지는 실제 사용 환경에서 특히 온도가 높

을수록 발 량이 상 으로 Wafer 기반 태양 지에 비해 높은

특성을 나타낸다. 이러한 특성은 아몰포스 실리콘 박막이 결정

Wafer에 비해 효율의 온도계수가 2배 이상 낮기 때문에 나타나

는 특성이다. 태양 지 모듈은 실 설치 환경에서 모듈의 온도가

80도까지 올라가기 때문에 표 검사 조건(STC: Standard Test Condition)에서 검사한 모듈의 력 생산량에 비해 실제 력

생산량이 낮은 것이 일반 이다. 한 실제 태양 지 모듈이 많

이 설치되는 지역에서의 에 지는 자외선 쪽에 가까운 특성

을 보여 다. 하지만 표 검사 조건 하의 평균 에 지는 좀

더 장 장에 가깝기 때문에 실제 설치 조건에서의 환 효율

이 떨어지는 상이 발생한다. 그림 12에서 볼 수 있는 바와 같

이 박막 태양 지는 온도 특성과 평균 에 지 특성에 있어서

실제 태양 지의 설치 환경에 가깝지만, Wafer 기반 태양 지

의 경우 온도 특성이 표 검사 조건 쪽에 가깝기 때문에 Wafer 기반 태양 지가 효율은 높은 것으로 검사되지만 실제 력 생

산량은 박막 태양 지와 비슷하거나 동일 력량 설치 시 오히

려 박막 태양 지가 높은 특성을 보여 다.

맺는 말

세계의 실리콘 박막 태양 지 연간 생산량이 세계 시장에서 차지

하고 있는 부분은 작년을 기 으로 약 5.6% 정도이다. 그러나

재까지 턴키 사업체의 발표를 기 으로 볼 때 올 하반기를 기 으

로 격히 증가할 것으로 상하고 있다. 그러나 우리나라의 경우

1개사가 양산에 들어가고 있고 1개사가 양산 계획을 발표한 수 으

로, 우리나라 산업이 실리콘 박막 태양 지를 잘 할 수 있는 여러

생산 연구 조건을 갖추고 있음에도 불구하고 매우 늦고 있는

것이 실이다. 향후 실리콘 박막과 여러 차세 태양 지 기술에

정부, 기업 견 기업들의 극 인 심이 요구되며 미래

환경 에 지 사업인 태양 지 사업에 극 인 투자가 요망된다.