focus on magazine · 2012-06-12 · 30 it soc magazine industry trends 1. 무한,...
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IT SoCMagazine
Focus on_● Industry Trends 화합물반도체 박막태양광 발전기술과 산업동향
● 기업소개(주)야스
● Guide to Solar Cell태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술
태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기
환경/에너지를 위한Green IT 기술
SeriesⅣ 태양광반도체www.ssfor
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1. 무한, 청정기술인 태양광발전
태양광 에너지는 지구에서 얻을 수 있는 가장 풍부하고 고갈
의 염려가 없는 에너지원이다. 태양으로부터 지표면에 공급되
는 에너지는 청명한 날 1 제곱 미터당 1,000W의 전력(AM1.5)
이며, 총량은 현재 인류가 사용하는 에너지 총량인 12 테라와
트(TW)의 약10,000 배에 해당하는 약 12만 TW이다. 이와 같
이 태양광 에너지는 재생에너지 중 가장 풍부한 자원으로서 미
래에 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 지구온난
화 주범으로 알려진 탄소배출이 전혀 없는 청정한 에너지 기술
이다. 이와같이, 태양광 발전은 무한한 에너지원과 청정한 에
너지 변환기술 때문에 차세 인류의 에너지 문제를 해결해 줄
수 있는 방안으로 인식되고 있어 지금 세계적으로 뜨거운 관심
을 모으고 있다.
가. 소재별 태양전지 기술 분류
지금까지 개발된 태양전지는 광흡수체의 소재에 따라 다양한
분류를 보이고 있다. <그림 1>은 광전변환 소재에 따른 태양전
지 기술의 계통도이다. 가장 크게는 실리콘과 비실리콘으로 나
눌 수 있으며, 사용되는 반도체 소재의 형상에 따라 결정형(입
체형)과 박막형(평면형)으로 구별된다. 결정형으로는 단결정
(mono-crystalline) 실리콘 태양전지, 다결정(poly-
crystalline) 실리콘 태양전지 및 GaAs기반의 III-V 화합물 반
도체 태양전지가 있다. 한편, 박막형으로는 비정질(amorphous)
실리콘(a-Si), 다결정(poly-crystalline) 화합물반도체태양전지
가 있다. 화합물 반도체는 구리-인듐-갈륨-셀레늄 (CulrGaSe2
혹은CIGS)과카드뮴텔루라이드(CdTe)가널리알려져 있다. 이
와 더불어 식물의 광합성을 모방한 유기물 및 무기물 소재로서
전도성 염료(dye)와 폴리머 등의 다양한 소재가 있으며, 차세
기술로서 연구 개발되고있다.
그림 1. 광흡수 소재와 형상에 따른 태양전지 기술 분류
자료: YOLE 2008 수정
나. 결정형 박막형 태양전지 비교
결정형과 박막형 태양전지는 태양전지 모듈 생산과정에 있
어서 가장 큰 차이를 보인다 <그림 2>. 결정형 태양전지가 실리
콘 웨이퍼를 기반으로 하는 반면 박막형 태양전지는 기판(유리
나 금속포일 등) 위에 형성한 소재 박막을 기반으로 한다는 점
화합물반도체박막태양광발전기술과산업동향
김제하박막태양광기술연구팀 팀장ETRI 차세 태양광연구본부
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November 2009 31
이 다르다. 결정(다결정 및 단결정) 실리콘 태양전지 모듈을 만
들기 위해서는 실리콘 원소재 � 잉곳 � 웨이퍼 � 셀 � 모듈
단계로 제작되는 과정이 필수적으로 필요하다. 따라서, 각 단
계별로 서로 유기적인 기술 연관관계가 이루어져야만 한다. 이
산업관계가 가치사슬이며, 기술관계를 수직계열화라고 한다.
이에 비교하여 박막형 태양전지 모듈은 반도체 박막을 이용하
기 때문에 박막 형성, 셀 및 모듈 제작 등을 한 장소에서 모두
해결할 수 있다. 즉, 결정형 태양전지처럼 각 공정들이 독립적
인 산업을 형성할 수 있는 것이 아니라 일련의 공정이 일괄적으
로 동시에 그리고 동일한 장소에서 수행될 수 있다. 그렇기 때
문에 공정단계가 매우 단순하다. 또한, 태양전지의 박막을 순
차적으로 입혀가는 도중에 셀 분할을 하여 태양전지 모듈 제작
을 동시에 수행할 수 있는데 이를 모노리식 집적화(monolithic
integration)라고 한다. 아울러 소재의 박막 특성은 기판 소재
의 형태에 구애 받지 않는다. 즉, 구부림이 가능한 유연기판도
사용될 수 있어서 모양이 편평하지 않은 태양전지 모듈의 활용
성이 매우 높은 제품도 생산 가능하다는 장점이 있다.
그림 2. 결정형과 박막형 태양전지 모듈의 기술 비교자료: YOLE 2008 수정
산업적으로는 태양전지를 에너지 전환 효율과 제조 비용에
따라 다음과 같은 세 로 구별하고 있다. 1세 는 결정형(다결
정 및 단결정) Si 태양전지로서 현재 가장 성숙된 기술 분야이
고, 2세 는 박막형 반도체(a-Si, CdTe, CIGS) 태양전지로서
에너지 전환효율은 다소 떨어지지만 제조 비용이 훨씬 저렴할
것으로 예상되고 있는 차세 기술이며, 3세 는 식물의 광합
성과 같은 기존의 반도체와는 다른 메커니즘을 이용하여 광.전
변환을 만들어 내는 유기물 등 신재료 및 신개념 태양전지 기술
이다. 일반적으로 1세 결정형 Si 태양전지 모듈은 약
15~18%의 모듈 효율을 내고 있는 반면, 2세 박막형 화합물
반도체 7~12%, 3세 태양전지는 5% 에너지 전환효율 를
기록하고 있다. 그러나 신개념 태양전지 소자는 30% 이상의 월
등히 높은 에너지 전환효율과 가장 저렴한 생산비용을 예상하
는 미래의 기술이다.
결정형 실리콘 태양전지에 비하여 박막형 화합물 반도체 소
재는 기판소재 위에 박막의 형태로 제조가 된다는 점이 다르며,
또한, 그 제조 비용도 약 50% 정도로 값싸게 만들 수 있다. 실
제로 유일한 박막태양전지 양산회사인 First Solar (미국)는
CdTe 박막태양전지를 2008년 한 해 동안 504 MW를 생산함
으로써 로벌 생산 2위에 올랐다. 이는 570 MW를 생산한Q-
cell(독일)을 제외한 많은 결정형 실리콘 태양전지 생산업체를
뒤로한 결과이다. 그러나 일반적으로 화합물 반도체 박막 태양
전지는 결정형 비 상 적으로 낮은 효율, 소재의 독극성, 복
잡한 화학조성, 셀과 모듈의 전환 효율의 큰 간격과 효율 향상
의 어려움 등이 상존하고 있다. 그럼에도 불구하고 반도체 메모
리 및 디스플레이 산업과 기술의 유사성으로 인하여 미래의 유
망 반도체 산업기술로서 인정을 받고 있으며, 우리 나라도 이
기술의 산업화에 고심하고 있는 실정이다.
본 고에서는 향후 가장 유망할 것으로 예상되는 박막태양전
지인 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 방
향에 따라 substrate (CIGS)와 superstrate (CdTe) 형태를 하
지만 기본 구조는 동일하다. CIGS태양전지는 기판으로 유리판
(소다라임 유리)이나 유연금속 및 폴리머 foil이 사용된다. 이들
위에 형성하는 전면전극(front electrode; Al:ZnO/i-ZnO), 광
흡수체 (CIGS, CdTe), 후면 전극(back electrode; Mo) 등 세
부분으로 크게 나눌 수 있다. 지금까지 알려진 가장 표준 소재
는 소다라임 유리기판, Mo 후면전극, 광흡수층 (CIGS), CdS
버퍼층, 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
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그림 4. 박막태양전지 셀/모듈 공정 흐름도자료 : YOLE 2008 수정
<그림 4>는 박막태양전지 모듈 공정 순서도이다. 일반적으
로 박막 태양전지 공정은 (a-Si 포함) 매우 유사한데, 특히 화
합물 반도체 태양전지의 경우 흡수체 공정을 제외하고는 동일
한 절차를 통하여 제작된다. 이 전 공정에 한 장비 및 개별
공정기술은 이미 널리 알려져 있다. 오직 연구가 추가로 필요
한 부분은 흡수체 (CIGS 혹은 CdTe) 제작 공정이다. 이 부분
은 전 공정의 핵심이며, 이 기술의 차별화가 기업의 차별화로
이어진다.
가. CIGS태양전지의 구성 및 제작
CIGS는 구리(Cu)-인듐(In)-갈륨(Ga)-셀레늄(Se)의 4원소
로 이루어진 칼코제나이드 계 화합물 반도체이다. 이 소재는
직접천이 반도체 화합물이기 때문에 태양광 에너지 전환 효율
이 좋다(이론적인 최고 효율은 25% 이상임). 또한, Al, S 등의
원소를 첨가 도핑함으로써 에너지 갭을 1.0 ~ 2.7 eV까지 광
역으로 변환할 수도 있어 광변환효율을 더욱 향상시킬 수가
있다. CIGS는 3원소(ternary) 반도체 CuInSe2(CIS)에 갈륨
(Ga) 원소를 In치환으로 도핑하여 효율을 증가시킨 것이다. 다
음으로, 이 소재의 광흡수계수가 105cm-1 로서 광흡수소재 중
가장 높아서 고효율 태양전지를 만들 수 있다. 또한, 환경 안정
성과 방사선에 한 소재의 저항력도 매우 강하다. 그렇지만
핵심 원소인 인듐의 가격이 너무 높아 량 생산에 불리하며,
4원소인 만큼 2원소 박막 태양전지(CdTe)에 비하여 제조공정
이 훨씬 복잡하다는 단점이 있다. 따라서, 핵심 태양광발전 산
업의 주인공이 되기 위해서는 인듐 및 카드뮴 사용을 하지 않
는 신소재 흡수체 발굴과 제조 비용절감을 위한 공정 최적화가
필요하다.
버퍼층은 50 nm 두께의 CdS를 사용하며 CIGS와 이종접합
을 하는데 매우 중요한 역할을 한다. CIGS 박막은 다결정
(polycrystalline) 성장 특성을 보이고 있어서 표면이 고르지 못
하다. 따라서, 소자를 안정적으로 하기 위해서는 울퉁불퉁한 표
면을 모두 덮을 수 있어 (conformal coverage) 소자상 결함을
노출시키지 않는 소재 및 박막 증착기술이 필요하다. 이 해결방
안으로 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 체 소재 연구가 진행되고 있다. 특히,
ZnS를 사용할 경우 UV 역의 양자효율이 CdS보다 높아 약
8%의 전환효율 추가 향상이 기 되는 것으로 알려지고 있다
[1]. 또한, 습식CBD 제조 방법은 진공방식의 인라인 일괄공정
에 장애가 되고 있다. 이를 극복하기 위하여 버퍼 소재를 진공
공정 혹은 진공 공정과 함께 사용할 수 있는 박막 성장법의 개
발연구가 활발하다.
후면전극으로 몰리브데늄(Mo) 전극은 CIGS 태양전지의 황
금율 중의 하나이다. Mo는 다른 어떤 소재보다 유리기판과의
열팽창계수가 비슷하며, 부착성과 전기 전도도를 동시에 만족
시켜주는 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 하
게 되는 데 있어서 투명창은 1 ㎛ 이상으로 두껍게 성장하기 때
문에 전기 전도도와 빛의 투과도를 동시에 최적화 하는 것이 매
우중요하다. 그리고ZnO의고유물성인친수성은CIGS 태양전
지 모듈의 수명단축에도 직접적인 향을 준다. 한편 우주공간
용 태양전지 모듈에는 TCO 소재로 ITO를 사용하기도한다.
기판으로는 유리, 스텐레스 스틸 포일, 타이타늄 포일, 폴리
머(polyimide; PI) 등 다양한 소재가 사용된다. 가장 일반적으
로 소다라임 유리기판이 사용되고 있는데 그 이유는 유리에 함
유되어 있는 나트륨(Na)이 CIGS의 다결정 결정립을 크게 하
고 이 때문에 전환효율이 향상하기 때문이다. 반면에, 유연기
판 소재의 경우 일부러 Na 층을 추가하여 CIGS 결정성 향상
을 하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 지금 상용화 되고 있는
표적인 유연기판 소재는 스텐레스 스틸 포일과 폴리이미드
(PI) 폴리머 소재이다.
나. CIGS흡수층 증착기술 및 비교
CIGS 태양전지가 고효율 및 면적 가능성의 장점에도 불
구하고 산업화가 부진한 이유는 산업적으로 믿을만한 CIGS
제조공정이 확립되지 못하 기 때문이다. 4원소 화합물인
CIGS는 다양한 제조 방법이 활용되고 있다. 그 종류로는 진공
증착, 비진공방법(나노프린팅, 전기도금, CBD 등)이 있다. 이
중 가장 많이 활용되고 있는 진공증착 방법으로는 증발법
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(evaporation)과 2 단계공정 (two-step process)법 두 가지가
표적인 공정으로 알려져 있다.
증발법은 단위 원소인 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 셀레
늄(Se)을 열 증발원(thermal evaporator 혹은 Knudsen cell)
을 이용하여 동시에 증발시켜(co-evaporation) 고온 기판에
박막을 형성하는방법이다<그림5 (가)>. 이는1982년Boeing(미
국)에서 개발된 방법으로, 각각의 증발원을 독립적으로 설치하
여 사용하기 때문에 원소의 조성 제어가 용이하고, 특히 도핑
소재인 Ga의 최적 조성비율 Ga/(In+Ga)=0.3을 제어하는데
편리하다. 그러나 기본적으로 증발원이 점원(point source)이
기 때문에 수천 제곱 센티미터의 면적 기판에 박막을 형성하
기에는 불리한 점이 많다. 따라서 면적 박막 제작을 위해서는
선형 증발원(line evaporation source)의 개발이 시급한 실정
이다. 면적 박막의 량 생산을 위해서는 기판이 선형 증발원
위에서 인라인(in-line)으로 수평 이동하면서 박막이 제작되어
야 하는데, 이 경우 조성 제어가 정지상태에서 보다 매우 어려
우며, 이는 효율 향상에 가장 큰 장애요인이 되고 있다. <그림
5>는 동시 증발법과 인라인법의 비교를 보이고 있다. 산업화에
서는 면적화에 적합한 인라인 증발법이 사용되고 있다. 이제
까지 이 방법의 약점으로 많이 지적되었던 것은 점원이기 소재
사용률이 낮고 면적화에 불리하다는 것이었다. 점원의 구조
적 특성으로 인하여 상향식으로만 사용될 수 있다는 제약이었
다. 그러나 이러한 단점도 선형증발원(최 1.0 m 폭)이 속속
개발되어 극복되고 있다.
2단계 공정(two-step process) 방법은 CIG 혹은 CIGS 전
구체(precursor) 제작과 셀렌화(selenization) 혹은 황화
(sulfurization)에 의한 제조 공정이다<그림 6>. 먼저 전구체
제작에 있어서 스퍼터링에 의한 진공 증착과 전기도금(electro-
deposition)에 의한 비진공법이 있다. 다음으로 전구체의
CIGS 화합물 반도체 조성을 완성하기 위해서 고온 열처리 과
정을 거치게 된다. 즉, 증발법이 CIGS증착과 동일한 챔버에서
셀렌화가 이루어지는 것과 달리 2단계 공정(two-step
process) 은 독립된 서로 다른 두개의 챔버에서 셀렌화가 이루
진다는 것이 공정상 차이점이다. 첫 단계에서는 구리(Cu), 인듐
(In), 갈륨(Ga) 혹은 셀레늄(Se)이 스퍼터링 증착(혹은 전기도
금)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 분위
기에서 400-600℃로 유지되거나 단순히 고온처리 되는 등 공
정 노하우는 업체마다 다르다. 사용하는 반응가스에 따라 셀렌
화(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 제
작공정의 저가화가 가능하다고 알려져 있다. 스퍼터링의 경우
평판형 타겟과 실린더형 타겟은 각각 30% 및 70% 등의 소재
활용율을 보고하고 있다. 반면 전기도금법(ED: electro-
deposition)은 90%에 근접한다. 이 2단계 공정 기술은 1980년
ARCO Solar(미국)에서 개발되었으며, 일본에 기술이 도입
되어 Showa Shell에서 면적 CIGS 모듈 효율 13.4%를 얻은
바 있다.
비진공 CIGS 공정법도 여러 가지가 시도되고 있다. CIGS
나노입자를 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 이
후의 공정은 기존의 RTP(Rapid Thermal Process)와 pn-접
합 공정 등을 그 로 활용할 수 밖에 없기 때문에 아직 흡수체
형성에서만소재활용의 극 화가 가능한 편이다.
그림 6. 2 단계 공정(2-step process) CIGS 흡수체 제조 방법
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그림 5. CIGS 흡수체 제조 방법: (가) 동시증발법 (나) 인라인 증발법
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3. 태양광발전 시장 현황 및 동향
오늘날 태양전지 산업활용은 크게 가정용(residential), 상업
용(commercial), 계통발전용(utility-tied) 등 3가지로 분류되
고 있다. 태양전지는 이미 오래 전부터 포터블 IT 기기 등에 사
용되는 휴 전원으로 널리 사용되고 있었다. 최근 들어 소규모
분산 발전용으로 별도의 패널 형태 또는 건축물과 일체화된 외
장재(창문, 외벽 또는 지붕 등)로서 개발되어 활용되고 있는데
이는 건물일체형 태양전지(BIPV; Building Integrated
Photo-Voltaics)라 부른다. 우리나라에서는 태양광시범주택
등의 국가보급사업의 일환으로 일반가옥에 설치되고 있으며,
외국에서는 상업용으로 형 사무실 및 공공건물에 응용되어
널리 보급되고 있다. 또한, 계통 발전용으로는 전세계적으로
수 MW에서 수 백 MW까지 태양광을 이용한 발전소에 점차 광
범위하게 활용될 전망이다. 지금까지 설치된 태양전지는 80%
가 BIPV에 그리고 20%가 태양광발전소에보급되었다.
태양광발전 사업의 측면에서 어느 태양전지기술이 유리할
것인가에 한 판단은 다음과 같은 응용분야에 따라 사용 셀 기
술이 달라질 수 밖에 없다.
① Residential BIPV
② Industrial (or commercial) BIPV
③ Small scale Utility
④ Full scale Utility
이상의 4가지 응용분야에 하여 각 태양전지의 총 연간 전
력 생산량(yearly electricity throughput)도 함께 고려해야
된다. 지금으로서는 이미 시장을 확보한 결정질 실리콘 태양전
지와 양산에 접근한 비정질 실리콘 박막 태양전지의 전망이 밝
은(promising)편으로 인식되고 있다. 2008년의 금융위기에 의
한 시장 축소로 인하여 최근 결정질 실리콘 태양전지의 모듈가
격이 급속히 하락하고 있으며 만약, $2.00 로 축소되면 박막
태양전지가 가격 경쟁력을 확보하기는 어려울 것이라고 평가
되기도 한다.
2008년 말, 전세계 태양전지 총 생산량은 8.1 GW 으며 그
중 박막태양전지는 1.1 GW 다 [2]. <그림 7>은 2006~2008
년간의 전세계 태양전지 셀/모듈 생산량의 변화를 보이고 있
다. 박막태양전지 업체로서는 CdTe를 생산하는 First
Solar(미국)가 504 MW를 생산하여 570 MW의 결정형 실리콘
태양전지 모듈을 생산한 Q-CELLS(독일)에 이어 2위를 차지
했다. 현재 전세계 모든 박막태양전지 업체가 First Solar의 양
산 및 제조비용을 벤치마킹하고 있다. 박막태양전지 시장에서
는 First Solar의 실적이 모두를 압도하고 있으며, CIGS분야
에서는 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 생산량자료 : Displaybank 2009
2000년 이후 태양광산업의 성장은 연평균 38.4%로 타 신재
생에너지 산업 중 가장 급격한 상승세를 보 으나 2008년 금
융위기로 인하여 성장세가 둔화되었다. 그러나 2010년 이후 두
자리 숫자의 연간 성장율을 회복할 것이라고 예측되고 있다. 그
리고 우리나라를 비롯한 미국, 일본 등 선진국에서 지구온난화
의 이슈에 한 책이 정책으로 정착되면서 태양광기술은 점
점 더 중요해 지고 있다. <그림 9>에서 볼 수 있듯이 2008년의
세계 금융위기로 태양광시장의 생산 규모의 축소가 불가피 하
지만 이후 꾸준한 상승세에는 변함이 없을 것으로 예측되고
있다.
Annual Solar Cell/ Module Production(2006 ~ 2008)
2008Total
Production8.1GW
435
Q-Cells5707% First Solar
5046%
Suntech4986%
365 570
504
498
473
274
290
282
277
237
221
372
365
200
176
170
165
143
132
207
253
180
160
155
111
102
96
90
86
MarketShare
By Top 1062% 53% 45%
2006 2007 2008
5
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Sharp4736%
JA Solar3004%
Kyocera2904%
Yingla Solar2823%Motech
2723%Sunpower
2373%
SolarWorld2213%
Other440855%
Annual Thin Film Production(2008)
Rank Company(Tech.)
1 504
112
53
40
38
30
20
18
16.5
15
200
1,057
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
First Solar(CdTe)
United Solar Ovonics(a-Si)
Kaneda(a-Si)
Mitsubishi Heavy Industries(a-Si)
Sharp(a-Si)
Wurth Solar(CIGS)
Ersol(a-Si)
Honda Motor(CIGS)
Schott Solar(a-Si)
Showa Shell Sekiyu(CIGS)
Other
Total
Production(MW)
2008Total
TF Production1.1GW
First Solar(CdTe)50448%
United Solar Ovonics(a-Si)
11211%
Kaneda(a-Si)535%
Mitsubishi Heavy Industries(a-Si)
404%
Wurth Solar(CIGS)303%
Schott Solar(a-Si)384%
Other20019%Showa Shell
Sekiyu(CIGS)151%
Schott Solar(a-Si)16.51%
Honda Motor(CIGS)182%
Ersol(a-Si)202%
Annual Thin Film Production(2008)
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그림 9. 세계 태양전지 시장 규모 및 예측 (2006~2013) 자료 : Displaybank 2009
4. 주요 CIGS 기업 기술 및 생산 동향
위 절에서 기술하 듯이 CIGS는 가장 효율이 높은 화합물
반도체 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 다
결정 실리콘 태양전지 시장을 압도할 것으로 전망된다. 이러한
기 감 때문에 CIGS에 한 산업화가 많은 관심을 보이고 있
다. 2009년 현재 수준으로 CIGS태양전지의 구조 및 제조 방법
등이 이미 안정화 되어가고 있기 때문에 전 세계적으로 CIGS
기업이 속출하고 있다. 이런 상용화의 핵심은 CIGS 박막의 제
조방법에 의하여 구분된다. 아래 <표 1>은 각 CIGS 기업의 양
산수준과 고유 기술을 보인다.
표 1. 2009년도 세계의 CIGS 태양전지 양산 현황
Showa Shell(일본)은 3,459 cm2의 면적 CIGS 모듈에서
13.4% (스퍼터링 및 셀렌화)의 최고 기록을 보유하고 있으며,
최근 ZnS/CIGS를 이용한 15.7% (셀면적 30 x 30 cm2)를 보고
하는 등 신기술 개발에 열중하고 있다. 이 셀에서는 MOCVD에
의한 ZnO:B투명창층이 이용되었다 [3]. Wu‥rth(독일)은 7,230
cm2 크기의 면적 모듈에서 12% (인라인 증발법)의 모듈 효율
을 보고하 다. Centrotherm(독일)은 2007년 이후 CIGS 장
비의 턴키솔루션(turn-key solution)을 제공하고 있다. 2007
년 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 셀렌화
를 수행하는‘FASST(Field Assisted Simultaneous Synthesis
and Transfer)’공정을 특허기술로 차별화 하고 있다. 이와 같
이 전구체+셀렌화 공정을 기반으로 하는 기술의 핵심은‘신속
한 셀렌화’이다. 2008년 11월 현재 10.5% (600 x 1200 mm2)
를 기록하고 있다.
한편, 유연기판을이용한CIGS 모듈생산도약진을하고있다.
특히, 건물일체형 (BIPV; Building Integrated Photovoltaics)
에 적합한 미래기술로서 유연기판 태양전지의 활용도는 막
할 것으로 예상된다. CIGS 분야의 선도 기업은 <그림 8>과 <표
1>에 나타났듯이 Global Solar Energy(GSE; 미국)이다. GSE
는 스텐레스 스틸 포일 기판 위에 인라인 증발법과 롤투롤 공정
을 이용하여 CIGS 셀 및 모듈을 생산하고 있다. 현재까지 유일
한 CIGS 모듈 양산업체이다. Solarion AG(독일)는 폴리머기
판(polyimide; PI) 위에 CIGS셀을 제작한다. 핵심기술은
IBAD (Ion-Beam Assisted Deposition; patented)를 이용한
Se 증착이며, 이 방식의 특징은 이온화된 Se을 이용하여 셀렌
화를 수행하기 때문에 400℃ 저온에서도 고품질의 CIGS 박막
을 제조할 수 있다는 것이다. 셀 효율은 14% (35 mm2)를 기록
하고 있다. 한편 Ascent Solar(미국)는 증발법과 PI 기판을 이
용하는 것은 Solarion AG와 동일하지만 유연기판임에도 불구
하고 유리기판처럼 모노리식 집적화를 하는 점이 다르다. 이와
는 달리 유연 스텐레스 스틸 포일 기판을 사용하고 있지만
SoloPower(미국)는 CIGS 제조방법으로 비진공 전기도금법을
이용하는 유일한 기업이다. 2008년 셀과 모듈을 제작하여 각
각 13.76% (0.48 cm2), 12.25% (102 cm2) NREL의 공인을 받
은 바 있다 [4]. 한편, ISET(미국)의 핵심 기술은‘Ink based
CIGS’이다. CIGS 조성을 미리 설정된 분자량 조합으로 합성
한 전구체(prefix)를 이용하여 물을 용매로 하는 용액잉크를 제
조한다. 이 방법에 의하면 잉크의 95%가 평균 결정립의 크기가
100~150 nm인 최종 CIGS가 형성된다고 주장한다. 이 과정에
서 포스트 셀렌화(post selenization)는 1기압 H2, H2Se 분위기
에서 상압 전기로에서열처리함으로써수행한다.
Industry Trends
Wurth�Solar
Showa�Shell
Honda�Soltec
Solibro�
(with�Q-cell)
Avancis
Johanna�Solar�
(with�BOSCH)
Sulfercell
Sunshine�PV�
(Centrotherm)
Global�Solar
Nanosolar
Solopower
Ascent
Solyndra
Solarion
LG이노텍
텔리오솔라
회사명 Status location substrate TechnologyCurrentcapacity
30�MW
20�MW
27.5�MW
30�MW
20�MW
30�MW
35�MW
30�MW
75�MW
Pilot
Pilot
Pilot
Pilot
Pilot
pilot
Pilot
On�stream
On�stream
On�stream
On�stream
In�ramp-up
In�ramp-up
Installation
Installation
Ongoingexpansion
60�MW
90�MW
640�MW
30�MW
500�MW
Germany
Japan
Japan
Germany
Germany
Germany
Germany
Taiwan
USA
USA
USA
USA
USA
Germany
한국
한국
Glass
Glass
Glass
Glass
Glass
Glass
Glass
Glass
SS
SS
SS
PI
Glass�
tube
PI
Glass
Glass
Evaporation
Sputtering
Sputtering
Sputtering
Sputtering
Sputtering
Sputtering
Sputtering
Evaporation
Printing
Electro-
Deposition
Evaporation
Evaporation
Evaporation
Evaporation
Evaporation
www.ssfor
um.or
g
36 IT SoC Magazine
Industry Trends
CIGS셀은 Mo 포일 기판에 제작하 으며, 6~7% (10 cm x
10 cm) 모듈 효율 기술을 보유하고 있다. 향후 모듈 목표 효율
은 8~10%이다. 소자는 스텐레스 스틸 포일 기판 위에 잉크 프
린팅 기술을 이용하고 있으나 다른 유연기판 회사들과 달리 롤
투롤(roll-to-roll) 공정을 하고 있지는 않다.
Solyndra(미국)는 유리기판과 증발법을 이용하지만 모듈의
형상이 원통형을 이용하는 것이 차별화 되어 있다<그림 10>. 이
원통형모듈은표면으로부터반사된빛을이용해서도전력을만
들어낼수있다는것을특징으로하고있는특허기술이다[5].
그림 10. 원통형 CIGS 셀 및 모듈 (Solyndra)
Johanna Solar(독일)에서는 <그림 11>과 같이 여러 가지 채
색이 된 모듈로 CIGS panel이 만들어 질 수 있다는 것을 보여
주었다. 화합물 반도체 박막태양전지가 BIPV를 주요 시장으로
간주하고 있는 만큼 다양한 채색 모듈은 BIPV용으로 매우 상
용성이 높을 것으로 판단된다 [6].
그림 11. 채색 CIGS 태양전지 모듈 (Johanna Solar)
지금의 박막태양전지 시장은 CdTe를 기반으로 하는 태양전
지 회사인 First Solar(미국)에 의하여 독점되다시피 한다.
First Solar는 CdTe를 양산함으로써 유일한 계통연계형
(utility-connected) 태양광발전용 제품을 출시하고 있는 회사
로서2008년도총생산량이세계2위의업체가되었다. 이회사
의성공요인은광흡수체인CdTe를제조할수있는VTD(Vapor
Transport Deposition) 핵심특허기술을 보유하고 제조공정을
단순화하여 생산 부 비용을 과감하게 절감한 결과라고 알려
지고 있다. 견실한 8~9%의 전지 모듈 효율로 사업을 시작하
으며, 현재는 10%까지 효율을 유지하고 있다. 이런 실적을 뒷
받침하는 First Solar의 기반은 높은 yield로서 모듈에서 90%
이상을 이미 달성했다고 알려지고 있다. 이는 셀 양산 yield가
약 97~98%에 달하는 거의 완벽한 수준에 도달하 다는 것을
의미한다. 2010년에는 모듈 생산비용을 $1.0/Wp 이하로 낮추
겠다고 공언하고 있다. 이렇게 되면 태양광에너지 산업이 보조
금(incentive)없이도 자력으로 전통 에너지원들과 경쟁이 가능
한 그리드 패리티(grid-parity)를 달성할 수 있는 전기가 마련
되는 것이다.
5. 맺음말
본고에서는 박막태양전지 기술과 산업 현황 및 전망에 하
여 기술하 다. CIGS 태양전지는 가장 효율이 좋은 화합물 반
도체로서 향후 박막태양전지 시장의 지배적인 기술이 될 것이
다. 2007년 현재 1세 결정형 실리콘 태양전지가 태양광발전
시장의 90%를 점유하고 있는 것은 실리콘 태양전지의 높은 효
율과 안정된 성능 때문이다. 반면에 안정적인 고품위CIGS
면적 박막 성장은 아직도 기 에 못 미치고 있으며, 최고 실험
실 셀 효율과 면적 모듈간의 효율 격차도 50% 이상 벌어져
있다. 그렇다 하더라도 시제품 상용모듈은 상용화에 성공한
CdTe의 최고효율 보다 높은 10%를 유지하고 있다. 세계적으
로 CIGS박막태양전지는 어느 한 순간에도 선도기업이 탄생할
수 있는 기술의 성숙 및 산업환경이 급속도로 개선되고 있다.
우리나라는 이미 결정형 실리콘 태양전지 원천기술확보 및 산
업화 측면에서 독일, 일본, 중국에 비해 늦었기 때문에 외 기
술 경쟁력 확보도 쉽지 않을 것으로 예상된다. 이와 비교하면,
차세 태양광발전 기술인 박막형 태양전지 분야는 전 세계적
으로 아직 산업화 초기 단계이고 실용화에 따른 원천기술 확보
의 가능성도 높아 국내기술에 의한 외경쟁력 확보가 보다 용
이할 것으로 판단된다. 또한, 우리나라가 이미 보유한 세계 최
고 수준의 반도체/디스플레이 기술을 전환, 활용하게 된다면
박막형 태양전지의 실용화 원천기술뿐만 아니라 시장 경쟁력
을 조기에 확보할 수 있을 것이다. CIGS태양전지가 차세 지
배적인 박막태양전지 기술이 될 것이 확실시 되는 만큼 많은 노
력을 기울여 연구 개발함으로써 국가 산업화로 발전시켜야만
된다.
【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.
IT SoC
Mag
azine
November 2009 37
1. (주)야스에 해 간략히 소개해 주십시오.
ㄜ야스는 초고진공(~10-11 Torr) 상태에서 박막
분야를 연구개발하던 응용과학자들이 지식을
산업에 적용함으로 국가산업 발전에 기여하자
는 목적으로 설립한 회사입니다. 설립 초기부
터 벤처의 열정으로 끊임없이 도전한 결과
OLED 및 CIGS Solar Cell 양산장비 및 핵심
부품에 한 원천특허를 획득하 고, 증착장비
의 핵심인 야스 고유의 증발원은 주요 Display
업체에서 사용 중입니다. 또한 검증된 기술력과 미래 기술을 선도하는
역량의 결과로 지식경제부의“5.5 세 급 증착기 개발”과제(예산 80억
~120억)와“CIGS Solar Cell 장비개발”과제 (예산 30억)의주관기관으
로선정되어5.5세 급수평형OLED 선형증착기와 1200mm X 1200mm
크기의박막형CIGS 태양광장비를개발하고있습니다.
야스는 Engineering 능력, 창의적
기술력, 혁신적 제품, 풍부한 경험
및 축적된 노하우로 고객별로 최
고의 양산성 있는 장비를 제공할
수 있는 준비된 회사로, OLED 디
스플레이, OLED Lighting 및
CIGS Solar Cell 산업의 면적 제조장비 분야에 회사의 미래를 걸고,
선형양산장비의사업화및 세계표준화를추진하고있습니다.
2. 귀사의“CIGS 태양광 증착기술”의 장점과 앞으로 보완해
야 할 점은 무엇입니까?
CIGS Solar Cell은 저가로 고효율 태양광전지를 만들 수 있는 가능성
때문에 많은 기업에서 개발을 진행하고 있습니다. CIGS 층 형성 방법
중 가장 높은 효율로 모듈을 생산할 수 있는 방법은 Co-Evaporation을
통한 활성화된 CIGS층을 형성하는 것인데, 이 방법은 기판의 온도를
500℃ 이상 올린 상태에서 공정을 진행해야 하기 때문에 하향식 증착
방식을 적용해야 합니다. 야스는 다양한 유기증발원 및 금속증발원을 개
발하 습니다. 이들 증발원은 높은 물질 사용효율, 2~5% 이하 박막 균
일도, 증착물질의 균질도 및 높은 내구성으로 OLED 양산장비에 사용
중입니다. 또한 품질의 저하 없이 형기판으로 확장할 수 있는 엔지니
어링 능력은 형화를 통한 원가 경쟁력 확보에 가장 큰 장점입니다. 앞
으로 면적에서의 효율, 양산성 및 장기간 사용에 따른 안정성을 확인
및보완할예정입니다.
3. CIGS Solar Cell 분야에서 가장 중요한 요소는 무엇이
며, 귀사는 그 요소를 확보하기 위해 어떤 노력을 하고
있습니까?
결정질 실리콘을 이용한 태양전지는 전세계 태양전지 시장의 90%를 차
지하고있으나원료수급이어렵고발전단가가비싸태양광발전의확산
을 가로막고 있는 관계로 안으로서 박막형 태양전지가 검토되고 있습
니다. 박막형 CIGS 태양전지의 경우 개발 초기 단계로 연구소 수준의 소
형 제품에서는 효율이 20%에 육박하는 결과를 발표하고 있으나 면적
생산에서는 10% 수준에 불과해 면적 양산에서 조기 고효율의 확보가
사업화의 가장 중요한 요소가 되고 있습니다. 야스는 4세 크기의 기판
에서 박막균일도 2% 이하의 면적 상향식 증착기술을 확보하고 있으며
반도체 조합이 총괄하는 전략기술개발 사업의 세부 주관기관으로 하향식
CIGS 증착 시스템을 개발 중으로 현재 600mm급 고온 하향식 선형증발
원를 개발하 으며, 시장의 조기 참여를 위해 1200mm급 선형증발원 및
증착장비개발을앞당길예정입니다.
4. 향후 CIGS Solar Cell 분야의 전망과 이에 따른 귀사의
전략이나 비전에 해 말 해 주시기 바랍니다.
태양광발전은 화석연료에 의한 환경 문제와 화석에너지의 고갈 문제로
친환경에너지로서 각국 정부의 관심과 지원을 받고 있는 분야로 연평균
20~50%의 고성장이 예측되고 있습니다. 그 중 CIGS 태양광발전은 고
효율의 저가 생산을 할 수 있는 방식으로 기술개발에 따라 빠르게 태양
광시장을주도해나갈것으로전망되고있습니다.
기존의 반도체나 LCD의 생산거점
은 한국, 만 및 일본을 중심으로
형성이 되었지만 태양광 산업은 유
럽, 일본 및 중국을 중심으로 재편
되려는 양상을 띄고있으며, 양산기
술을 엄격하게 비 로 유지하려는
목적상수요기업과장비업체가일체화되는경향을보이고있습니다.
야스는 학과 개발을 연계하여 부가가치를 높이고, 수요업체와 개발 단
계에서부터 협력하여 적시맞춤형 제품을 공급하는 한편, 관련 업체와 협
력을 통한 Flexible 형의 개발로 미래를 준비하여, 에너지와 자원의 효율
적사용에기여하는세계적인장비회사로성장해나가고자합니다.
(주)야스CIGS 태양광 장비
정광호 표이사
ㄜ야스
기업소개
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38 IT SoC Magazine
Ⅰ. 태양광발전 시스템
태양광발전 시스템은 전력 계통 연계유무
에 따라 독립형(Stand alone)과 계통 연계
형(Grid-Connected)으로 분류할 수 있으며,
일부의 경우 풍력 발전, 디젤발전 등 타 에
너지원에 의한 발전 방식과 결합된 하이브
리드(Hybrid)형을 별도로 구분하기도 한다.
독립형의 시스템의 경우 주로, 등 , 중계소,
인공위성, 도서, 산간벽지 전원 등에 사용되
고, 계통 연계형 시스템의 경우는 주택, 빌딩
등의 옥상, 규모(수 MW급) 발전 시스템에
사용되고 있다.
(1) 태양광발전 시스템의 구성요소� 태양전지 어레이(PV array)
� 직류 전력 조절장치(DC Power
Condition)
� 인버터(Inverter)
� 축전지(Battery)
� 계통 연계 제어
(2) 태양광발전 시스템의 종류●계통연계형(Grid Connected System)
- 태양광으로 발전된 직류 전기 에너지를
인버터에 공급하여 사용 전력으로 변환
시켜 안정된 전원을 수요자에게 공급하
는 시스템
- 계통과 연계가 가능하게 하여 야간이나
태양광 발전 전력이 부족할 경우 계통
전압을 유입하여 사용하게 하고 잉여전
력이 발생할 경우 계통 전원으로 역 전
송하도록 하는 방식
- 가정 및 일반 건물 전원용, 태양광 발전
소용 등으로 사용
●독립형(Stand Alone System)
- 야간이나 태양광이 적을 때 전력을 공급
하기 위한 축전 설비를 갖추고 있어, 태
양광 발전이 가능한 기간 동안 축전지에
전력용 전력을 저장하 다가 사용하는
방식
- 태양광이 적은 날이 장기화되거나 시스
템 고장 등의 문제시 보조용으로 디젤
발전기 및 풍력 발전기를 갖춘 복합 발
전(Hybrid) 시스템으로 활용 가능
- 산간 지역 및 도서 지역 발전소용, 해양
기지 전원용, 등 전원용, 원거리 통신
기지 전원용 등
Ⅱ. 태양전지 동작원리 및 구성
태양 에너지 관련 주요 장치 및 기술
Guide to Solar Cell
앞면전극
반사방지막 전자
정공
전자
정공
뒷면전극
태양전지 모듈 어레이�패널 태양광�주택
pn접합전기부하
솔라패널(PV)
컨트롤러
배터리
범례
자동전환�스위치
스위치�보드(예)
LS�Inverter
AC�Transfer�Switch
(ACTS-2)
Grid�MainsCircuit�Breaker
PVE1200�-�48V�(min�200Ahrs)
PVE2500�-�96V�(min�200Ahrs)
라트로닉스LS�시리즈�인버터
라트로닉스계통연계형인버터
PV�Edge
DC AC
Main�Switch
PV�Edge
Air�Con
Stove
Hot�Water
Lights
Lights
Power
Power
그림1.태양광발전시스템
그림2.계통연계형시스템구조
그림4.독립형시스템구조
그림3.계통연계시스템개념
그림5.독립형시스템개념
태양광태양광모듈 인버터 수요자 개통전원
잉여전력발생시�발전전력공급
태양광발전�전력�부족시계통전압�유입
잉여전력�발생시역전송
태양광태양광모듈
풍력 축전기 발전기
인버터 수요자 마을부하
자동개폐기 완도지역�도서낙도
형광솔라파크�3MW형광솔라파크�3MW
태양전지 모듈 어레이�패널 태양광�주택
IT SoC
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November 2009 39
태양광 발전(Photovoltaic Power Generation)
은 태양광을 직접 전기로 변환시키는 발전방
식으로 그 핵심은 태양전지(Solar Cell 또는
Photovoltaic Cell)이다.
그림과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태
양전지에 반도체의 금지 폭(Eg : Band-
gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광
이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이
들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장
에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모
이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력:
Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단
의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게
되는 것이 동작원리이다. 이러한 태양전지는
필요에 따라 직∙병렬로 연결하여 장기간 자
연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로
만들어 사용하게 되는데, 그 최소 단위를 태
양광 모듈(Photovoltaic Module)이라 한다.
그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레
이(Photovoltaic Array) 형태로 구성하여 설
치하게 된다.
Ⅲ. 태양전지 공정(태양전지는 어떻
게 만들어지나)
그림6.태양전지양산공정
현재 상업용 태양광발전소에서 쓰는 90%
이상의 전지는 결정질 실리콘 태양전지이다.
태양전지를 만들기 위해선 반도체를 만들 때
처럼 실리콘 웨이퍼라는 게 필요하다. 보통
반도체용 웨이퍼는 둥근 형태이지만, 태양전
지용 웨이퍼는 사각형이 일반적이다. 웨이퍼
를 다이아몬드나 절단용 와이어로 필요한 크
기로 자른 뒤 절단시 발생한 표면 자국을 없
애기 위해 특수 화학약품에 담그는 세정작업
을 실시하는데, 이를 에칭(Etching) 공정이라
고 한다. 에칭 공정을 마친 웨이퍼
는 태양광이 닿는 면적을 최 한
넓히기 위해 인위적으로 줄무늬
형식의 스크래칭 작업을거치며이
를텍스처링(Texturing) 공정이라고
한다. 그 다음과정으로는 웨이퍼
에 전도성을 띠게 하기 위해 불
인산 등 불순물을 주입하고, 고온
처리하면 반도체와 같은 형태가
된다. 이후 불순물 도포과정에서
발생한 얇은 막(PSG)을 제거하는
에칭 공정을 다시 한번 거치게된
다. 다음으로 태양광 반사를 막아
효율을 높이도록 해주는 반사방지
막을 형성시키고, 그 위에 전극 형성을 위해
푸른색의 실크스크린을 인쇄하는 작업을 거
친다. 이후 저온에서 두 차례 건조시킨 후,
고온에서 실크스크린 표면을 소재 내부로 접
합시키는 `소성(Firing) 공정을 진행하고, 레
이저를 이용해 전극을 분리시키주면 태양전
지가 완성된다. 생산된 태양전지는 효율 측
정을 거쳐 효율별로 자동 분류돼 출고된다.
Ⅳ. 태양전지 종류시장의 약 90%를 차지하고 있는 단결정 및
다결정 실리콘계열, 최근에는 카드뮴 텔러라
이드(CdTe)와 카파인디움다이셀레나이드
(CulnSe2:CIS) 반도체들도 활용한다. 단결정
실리콘이 가장 비싸며 효율이 높으며, 비정
질실리콘 계열은 가격은 낮으나 효율이 떨어
지는 단점이 있다. 염료감응 방식이 실리콘
태양전지에 비해 효율은 낮지만 가격을 5분
의 1 정도로 낮출 수 있고 흐린 날에도 사용
할 수 있는 점, 유연하고 반투명하게 만들
수 있어 건축물, 모바일 기기 등에 다양하게
사용할 수 있는 것이 장점이다.
[참고자료]
1. www.symphonyenergy.com
2. 네이버, 구 검색
�다결정/단결정�실리콘��웨이퍼�투입
�웨이퍼�제조시�발생한�흠집��에칭�및�태양광�흡수�면적��증가를�위한�텍스처링
�도핑공정시�표면에�발생한��형광제�규산염�유리�제거���공정(에칭)
�입사한�태양광의�반사를�막기��하기�위한�반사방지막�형성��Sputtering이용��
�전극형성을�위한�실크스크린��인쇄(전면�1회,�후면�2회)��드라이,�파이어링��
�레이저를�이용한�전극�분리
�태양�시뮬레이터를�이용한��태양전지�효율�등급별�분류
�태양전지�제품�완성�및�출고
�웨이퍼를�태양전지로�변환하기��위한�불순물�주입,�P-N접합�형성
웨이퍼�투입
웨이퍼�절단�자국에칭�후�가로줄무늬스크레칭(텍스처링)
불순물�도포�후고온처리로�P/N층�접합
불순물�도포시�발생한표면층�에칭
태양광�반사방지막�형성
전극형성�위한실크스크린�표면�인쇄
레이저로�전극�분리
성능�측정�및�등급별�분류
완성품�출고
박막
태양전지
실리콘
단결정�실리콘(Mone�Crystaline�Silicon)
화합물
CIS계(CulnSe2
�
�or�Cu[In,Ga]Se2)
다결정�실리콘(Multi�Crystaline�Silicon)
비정질�실리콘(Arnorphous�Silicon)
CdTe(Cadmium�Telluride)
GaAs(Galium�Arsenide)
Dye-TiO2
염료감응형
유기물
C60.Polymers
그림7. 태양전지제작과정
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40 IT SoC Magazine
● 태양에너지(Solar Energy)태양으로부터 전자기파의 형태로 방출되는
에너지. 태양이 방출하는 에너지는 막 하
지만 지구에 오는 것은 약 20억분의 1에 지
나지 않는다. 그 중에서 70%만이 흡수되는
데 세계 연간 에너지 소비량은 이 에너지의
겨우 1시간분에 불과하다. 태양은 거 한 핵
융합로와 같다. 태양에너지의 활용방법에는
태양열과 태양광선 이용이 있다. 체에너
지로서 무진장하며, 공해가 없고 지구 기
의 열균형이 보존되는 등 인류에게 절 적
인 에너지 원천이다.
● 태양전지(Solar Battery)
태양 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는
장치. 전지라고 하지만 건전지 등의 전지와
는 다르며 방송 위성뿐만 아니라 휴 용 전
자 계산기, 전자 시스템, 옥외 시계, 무인 등
, 텔레비전∙라디오 중계소 등에 이르기
까지 응용 범위가 넓어지고 있다. 인공위성
에 태양 전지를 쓰는 것은 우주에는 공기∙
구름∙먼지 등이 없기 때문에 지표에 비해
태양 에너지 양이 훨씬 많아 발전 효율이
높기 때문이다. 태양전지는 태양광에너지를
직접 전기로 변환시키는 반도체화합물 소자
이다. 부분의 반도체들은 광기전력효과
(photovotaic effect)를 나타내지만 태양전
지의 다량생산으로 이어지는 반도체들은 주
로 실리콘(Si)과 갈륨아세나이드(GaAs)이며,
실리콘이 가장 많이 활용되고 있다. 그러나
최근에는 카드뮴 텔러라이드(CdTe)와 카파
인디움다이셀레나이드(CulnSe2 ; CIS) 반도
체들이 활용되고 있기도 하다. 이들은 박막
형 태양전지로 구분되고 있다. 실리콘이 반
도체산업에서 가장 많이 사용되는 이유는
지구상에서 두번째로 보편화된 화학물질이
고, 석 모래로부터 얻을 수 있기 때문이다.
그러나 전자부품이나 태양전지에 사용할 수
있는 것은 고순도의 실리콘을 회수하여야
한다. 실리콘 태양전지는 결정상태에 따라
서 단결정실리콘(monocrystalline silicon)
태양전지, 다결정실리콘(multicrystalline
silicon) 태양전지, 비정질실리콘(amorphous
silicon) 태양전지의세가지로분류한다. 이들
중에서 가격은 단결정실리콘이 가장 비싸고,
다결정, 비정질순으로 가격이 저렴한데 현
재 이들이 국내외의 태양전지 시장을 석권
하고 있다. 지금까지 개발되었거나 개발 중
인 여러 형태의 태양전지들의 실험실 규모
와 량생산 규모에 따른 효율을 표로 비교
하 다. 현재 결정계 태양전지들의 두께는
0.3�0.5mm로 제작되는데, 이 두께 정도면
기계적 강도를 만족시킴은 물론 태양전지의
표면에 조사되는 일사량을 충분하게 흡수할
수 있다. 비정질계는 광에너지의 흡수율이
더 우수하기 때문에 태양전지로 수 마이크
론의 두께로 제작이 가능하다. 그러나 비정
질계의 경우 장시간 사용시에는 점차 퇴화
가 빨라져서 효율이 감소한다는 단점이 있
다. 일반적인 태양전지의 구조와 원리를 살
펴보면 단결정실리콘 태양전지의 경우에는
실리콘에 5가의 원소들인 인, 비소, 안티몬
등을 함침시켜 만든 p형 반도체로 이루어
진 p-n 결합구조이다. 이와같이 p형 반도
체와 n형 반도체가 하나의 단결정으로 접합
이 되면 불순물의 농도차에 의하여 n형 반
도체의 잉여전자(electron)가 p형의 반도체
로 확산해 가고, 반 로 정공(hole)은 p형에
서 n형으로 확산한다. 이에 따라서 p형 반
도체의 전도 (conduction band) 내에 있
는 전자의 에너지는 n형보다 좁아지고 n형
반도체의 가전자 (valence band)에 있는
정공이 갖는 에너지는 p형 반도체보다 높
아지게 되므로서 내부 전위차가 발생하게
된다. 이때 금지 폭 이상의 광에너지가 흡
수되면 가전자 에 있는 전자가 여기되어
금지 폭을 건너뛰어 전도 로 이동하게 된
다. 이와같은 상황으로 인하여 가전자 에
있었던 전자의 자리가 비게 되어 양전하처
럼 행동하는 정공이 형성되므로 양전하(정
공)와 음전하(전자)의 쌍이 생기게 된다. 이
렇게 생성된 전자-정공 쌍은 각각의 농도차
와 전위차에 의하여 각각 전자는 n형으로,
정공은 p형으로 이동하여 외부회로에 의하
여 전류가 흐르게 되는 것이다. 일반적으로
cell은 태양광 방사에너지를
조사했을 때 전기를 발생하
는 반도체 소자를 일컫고
module은 복수의 태양전지
셀을 전기적으로 접속하고
내구환경을 고려하여 제작
된 최소단위의 발전유닛을
말한다.
● 태양전지모듈한 개의 태양전지는 0.6V 전압과 3A 이상
의 전류를 생성한다. 적절한 전압과 전류를
생성하기 위하여 여러개의 태양전지를 서로
연결하고 외부환경으로부터 보호하기 위하
여 충진재, 유리 등과 함께 압축한 것이 모
듈이다. 모듈이란 보통 2~100개의 태양전
지를 연결한 것을 말하며 이러한 모듈을 연
결하여 어레이를 제작한다. 태양전지를 모
듈화하기 위해서는 모듈의 광학적 성질, 전
기적 성질을 만족해야하며, 특히 내구성, 신
뢰성 등이 요구된다. 모듈을 만드는데 필요
한 태양전지의 수는 축전지 입력 전압�축
전지 직렬 개수/태양전지 모듈의 출력 전압
으로 결정한다. 태양전지 모듈은 일반적인
결정질 실리콘 태양전지 모듈 구조와 박막
태양전지 모듈이 있다. 결정질 실리콘 태양
전지 모듈은 여러 개의 태양전지를 얇은 선
으로 연결하여 충진재와 유리기판, Back
sheet 등과 함께 압축시켜 제조한다. 이와
달리 박막 태양전지 모듈은 태양전지 자체
가 모듈형태로 제작되며, 후에 보호막을 입
태양전지 분야 용어 쉽게 이해하기
Guide to Solar Cell
태실험실 규모 량 생산
면적(cm2) 효율(%) 면적(cm2) 효율(%)
단결정 4 23.3 100 15�18
다결정 4 17.8 100 12�14
비정질 1 11.5 1,000 5�8
GaAs 0.25 25.7 4 17
CdTe 1 10.9 - -
CulnSe2 3.5 14.1 - -
GaAs/GaSb 0.005 34 - -
IT SoC
Mag
azine
November 2009 41
히는 과정만이 들어간다.
● 다결정 실리콘 태양전지다결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말
하는 것으로 다결정 실리콘은 재료 내부의
원자가 규칙적으로 배열 되어있는 방향이
서로 다른 부분으로 구성되어 있다. 따라서
원자 배열의 불연속면이 존재하게 되고 이
러한 불연속면 때문에 전력변환효율이 단
결정에 비해 낮다. 제조공정이 간단하고
량 생산이 가능하여 가격이 저렴하다는 장
점이 있다.
● 단결정 실리콘 태양전지단결정 실리콘 재료로 만든 태양전지를 말
하는 것으로 재료 내부의 원자 배열의 방향
이 균일한 상태이므로 태양전지의 전력변
환효율이 우수하나 제조가격이 비싸다.
● 태양광 발전태양광 발전은 무한정, 무공해의 태양 에너
지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
이다. 기본 원리는 반도체 pn 접합으로 구
성된 태양전지(solar cell)에 태양광이 조사
되면 광에너지에 의한 전자-양공 쌍이 생
겨나고, 전자와 양공이 이동하여 n층과 p
층을 가로질러 전류가 흐르게 되는 광기전
력 효과(photovoltaic effect)에 의해 기전
력이 발생하여 외부에 접속된 부하에 전류
가 흐르게 된다. 이러한 태양 전지는 필요
한 단위 용량으로 직∙병렬 연결하여 기후
에 견디고 단단한 재료와 구조의 만들어진
태양전지 모듈(solar cell module)로 상품
화 된다. 그러나 태양전지는 비, 눈 또는 구
름에 의해 햇빛이 비치지 않는 날과 밤에는
전기가 발생하지 않을 뿐만 아니라 일사량
의 강도에 따라 균일하지 않은 직류가 발생
한다. 따라서 일반적인 태양광 발전 시스템
은 수요자에게 항상 필요한 전지를 공급하
기 위하여 모듈을 직∙병렬로 연결한 태양
전지 어레이(array)와 전력 저장용 축전지
(storage battery), 전력 조정기(power
controller) 및 직∙교류 변환장치(inverter)
등의 주변장치로 구성된다.
● 플라스틱 태양전지
(Plastic Solar Cell)플라스틱의 한 종류인 고분자와 플러린이
라는 물질을 이용해 빛을 전기로 만드는 전
지. 기존의 태양 전지는 실리콘이나 화합물
반도체 등의 무기물을 이용한 것으로 제조
공정이 복잡하고 제작 단가가 비싸다는 단
점이 있었다. 그에 반해 플라스틱 태양 전
지는 유기물인 식물의 광합성 작용 원리를
응용한 것으로 무기물 태양 전지에 비해 값
이 싸고 가벼우면서 제작 공정은 간편하다.
● 아모르퍼스 태양전지
(Amorphous Solar Battery) 태양의 빛 에너지를 전력으로 변환시키는
소자로서 아모르퍼스( ) 실리콘을 이
용한 태양전지. 태양전지의 소자로서는 현
재 단결정( 結 ) 실리콘이 주류를 이루고
있는데 비정질 실리콘을 사용하면 실리콘
원료가 소량으로 가능해지므로 생산비가
100분의 1로 낮아진다. 이 전지를 넣은 탁
상전자계산기 등이 이미 판매되고 있으며
현재 전력용으로도 연구 개발되고 있다.
● 태양로태양로란 태양열을 모아 화로를 만드는 것
이다. 빛을 모으는 부 분은 높이 40m, 폭
54m의 건물에 45cm x 45cm 크기의 평
면경 9500개를 붙여 만든 초점 거리
17,7m의 포물면경이다. 태양빛을 한 점에
모으기 위하여 항상 이 포물면경의 축에 평
행하게 햇빛을 보내야 하는데 이것은 포물
면경의 정면에 높이 6m x 7m의 평면경
63개를 8계단으로 층층이 세워 태양의 위
치에 따라 평면경의 각도를 컴퓨터로 자동
조절함으로 이루어진다. 반사 평면경 하나
하나는 50 x 50cm의 작은 거울로 조립되
어 있다. 포물 면경에 도달하는 태양빛은
17.7m의 초점에 맞추어 세워진 27m 건물
꼭 기에 직경 60cm 정도의 원형으로 모
아진다. 최고 3000℃까지의 온도를 얻을
수 있다. 태양로는 고온 물리화학의 연구,
융점의 측정, 단일 결정의 생성 연구 등에
이용되고 있다.
● 태양열 발전태양열로 증기 원동기를 작동시킨 힘으로
발전하는 것을 의미한다. 이것은 태양으로
부터 입사되는 햇빛을 수없이 많은 거울 등
의 반사체로 한 점에 집광시켜 고온을 얻
고, 이 높은 열로써 태양로에서 증기를 발
생시켜 터빈을 돌리는 것을 말한다.
● 태양열발전소(Solar Thermal
Power Station) 태양열을 열 매체에 전달하여 수집된 열에
너지를 전기에너지로 바꾸도록 설계된 발전
시설. 태양열 탑 발전소(Solar tower
power station)는 태양열을 집열하기 위한
탑을 세우고 다수의 거울로 태양광을 탑에
반사시켜 집열된 고온의 열에너지를 전기에
너지로 바꾸는 태양열 발전소의 일종이다.
● 염료감응 태양전지값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저
렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록
개발된 태양 전지. 가시광선을 투과시킬 수
있어 건물의 유리창이나 자동차 유리에 그
로 붙여 사용할 수도 있다. 1971년 스위
스 연방 기술원(EPFL) 화학과의 마이클 그
랏젤 교수가 개발하 고, 국내에서는 한국
전자통신연구원(ETRI)이처음으로10~20nm
크기의 산화물 표면에 유기 염료를 흡착해
수십um 필름을 만들고 전극화하는 데 성
공했다.
[참고자료]
1. 태양전지 어떻게 만들어지나
(디지털 타임즈, 2008. 4)
2. 네이버, 구 지식검색
반사광방지막
전극
전극
태양전지
N형�반도체
P형�반도체
외부부하
태양광
www.ssfor
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