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신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(2)-제1장 태양전지 소재기술-포스트 결정질 실리콘 태양전지 소재기술(1)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

초고효율 태양전지 시장 선점 시급



■ 기술의 정의 및 분류

태양광 에너지의 양은 태양에서 약 1억5,000만km 떨어진 지구에 들어오는 양을 전력으로 환산한다면 약 1.77x1012mW/㎠다. 이 값은 전 세계의 평균 소비전력에 비교했을 경우 수십만 배로 크다. 하지만 지구상에 입사되는 태양광은 시간, 기상, 장소의 위도 등의 상황으로 인해 변수가 다양하다. 이러한 단점에도 불구하고 태양광 에너지를 이용한 연구는 활발히 진행되고 있다. 태양광 에너지는 입사되는 광선이 무한하며 경비가 들지 않으며, 화력, 원자력 등의 에너지와는 다르게 열에너지를 매개로 하지 않는다는 점 때문이다. 더 나아가 태양광 발전의 생산단가는 매년 10∼11%씩 저렴해지고 있으며, 머지않아 전 세계 80% 지역에서 태양광 에너지가 석탄 및 원자력 에너지보다 더 저렴해지는 등 태양광 에너지에 대한 평가는 긍정적이다. 1970년대 13%의 변환효율을 가지는 실리콘 태양전지를 시작으로 다음의 <그림 3-1-1-1>과 같이 태양광 발전 기술 변화에 따라 고효율의 태양전지가 개발되고 있다. 그리고 태양광 발전 기술 변화에 따라 제조 공정의 신뢰성, 자동화 및 단순화가 가능해졌다.

현재 태양전지 시장은 실리콘을 기반으로 한 태양전지가 80% 이상을 차지하고 있으며, 결정질의 종류에 따라 단결정 실리콘과 다결정 실리콘으로 나뉜다. 단결정 실리콘은 결정 구조가 동일하며, 원자구조는 균일하다. 이러한 결정성으로 인하여 물질을 통해 효율적으로 전자를 전달하는데 이상적이다. 즉, 순도가 높고 결정결함의 밀도가 낮으며 고품위의 재료로써 높은 효율을 달성할 수 있다. 반면에 다결정의 실리콘은 여러 개의 작은 결정 또는 경계(boundary)를 제공하는 결정립(grain)으로 구성되어 있어 정공(hole)과 전자(electron)의 재결합을 촉진시킬 뿐만 아니라 전자의 흐름을 방해하여 전지의 출력을 감소시킨다. 하지만 다결정 실리콘은 상대적으로 단결정 실리콘보다 저비용으로 생산할 수 있으므로 발전 가능성이 있는 태양전지의 기판이라 할 수 있다. 태양전지에 대한 연구 및 생산은 기판의 단가 절감 및 고효율의 요구로 인하여 결정질 실리콘 태양전지가 주를 이루고 있다. 이러한 결정질 실리콘 태양전지의 대부분은 전면전극은 은(Ag) 페이스트(paste)를, 후면전극으로는 알루미늄(Al) 페이스트를 스크린 프린팅(screen printing)을 이용해 제조된다. 스크린 프린팅뿐만 아니라 니켈(Ni)을 기초로 한 다층 구조의 금속 층 등과 같은 방법으로도 전극층을 형성할 수 있다. 또한, 실리콘 태양전지 웨이퍼는 생산비용을 저감하고자 단결정의 잉곳을 제조하고 이를 얇게 컷팅한 웨이퍼 형태로 사용하지만, 컷팅에 의한 두께 한계 및 절단손실(kerf loss) 발생 때문에 비정질 박막을 형성하는 경우에 비하여 재료비용이 높을 수밖에 없다. 따라서 결정질의 실리콘 소재를 얇게 박리하여 이용함으로써 재료비용을 낮추려는 노력이 계속되어 왔다. 본고에서는 최근 연구개발이 활발한 차세대 태양전극 형성 방법 및 초박형 실리콘 웨이퍼 형성 방법에 대해서 소개하고자 한다.

■ 기술의 원리

태양전지란 태양광 에너지를 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 직접 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서 p형 반도체와 n형 반도체의 접합형태를 가지며 그 기본구조는 다이오드와 동일하다.

태양전지의 원리는 다음의 <그림 3-1-1-2>의 (a)에서 나타낸 것과 같이 먼저 외부에서 태양광이 입사되면 태양전지 내부에서 전자(electron)와 정공(hole)이 생성되어 자유롭게 이동하다가 P-N 접합에 의해 형성된 전계로 들어오면 전자와 정공이 각각 N형과 P형 반도체로 이동하여, 전극을 통해 외부 회로로 흘러 들어가며 전류를 발생시킨다. 태양전지의 효율을 극대화하기 위해서는 태양전지 표면에서의 태양광의 반사((b); ①, ②)에 의한 손실과 태양광에 의해 형성된 전자와 정공의 벌크 및 표면에서의 재결합((b); ④, ⑤)에 의한 손실 및 저항 성분에 의한 손실을 최소화하여야 한다.

태양전지는 일반적으로 소재와 제조 기술에 따라 실리콘계 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 분류되고, 소재의 형태에 따라 벌크형과 박막형으로 나눌 수 있다. 다양한 태양전지 중에서 현재 산업 생산량의 82% 이상을 차지하는 결정질(벌크형) 실리콘 태양전지는 박막형 태양전지에 비하여 원가가 높은 것이 단점이나, 변환효율이 상대적으로 높아 대규모 발전시스템 및 주택용 시스템 등 대부분의 응용분야에 사용되고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 사용되는 기판 재료에 따라 단결정 실리콘, 다결정 실리콘 및 리본 또는 박판형 다결정 실리콘 태양전지로 구분된다. 일반적으로 산업화된 스크린 프린팅 결정질 실리콘 태양전지는 반사방지를 위해 표면이 피라미드 형태로 에칭된 P형 실리콘 웨이퍼 상부에 인(phosphorus)을 확산시켜 에미터(emitter) 층을 형성함으로써 PN 접합을 형성하고, 하부에 붕소(boron)를 확산시켜 후면에서의 재결합을 방지하기 위한 BSF(back surface field) 층을 형성한다. 이후, 생성된 전하를 외부 회로로 연결하기 위해 스크린 프린팅 방식을 이용하여 전면에는 은(silver) 배선을, 후면에는 알루미늄(aluminum) 배선을 형성시키고 열처리하여 다음의 그림과 같은 태양전지 구조를 완성한다.

1954년 미국 벨 연구소(Bell Labs)에서 효율 4%의 실리콘 태양전지를 최초로 개발하고 1958년 미국의 Vanguard 위성에 태양전지를 탑재하여 최초로 실용화한 이후, 계속된 기술적 진보가 이루어졌다. 이후 1970년대 두 차례의 석유파동을 겪으면서 지상용 전원으로 활용하기 위한 가능성에 주목하여 1980년대부터 선진국을 중심으로 체계적이고 집중적인 연구개발이 진행되었다. 특히, 1980년대에는 당시 반도체 공정 기술에서 사용되기 시작한 실리콘 산화막을 이용한 실리콘 표면 패시베이션(passivation) 기술과 전극의 패시베이션 기술을 적용하면서 고효율 태양전지 시대가 열렸다. 이 기술을 이용한 대표적인 전지로는 MINP(Metal-insulator-NP junction) 전지와 PESC(Passivated Emitter Solar Cell)가 있고 PESC는 20% 이상의 변환효율을 보인 최초의 태양전지이다. 또한, 후면 전극 구조를 개선한 PERC(Passivated Emitter and Rear Cell) 및 PERL(Passivated Emitter Rear Locally diffused) 구조 태양전지가 고안되었으며, PERL은 현재까지 단일 접합 결정질 실리콘 태양전지의 최고효율인 25.0%를 기록하였다. 이처럼 태양전지의 기본 구조를 유지하면서 변환효율을 높이려는 노력과 동시에 태양전지의 기본 구조를 바꾸어 변환효율을 증가시키고 하는 노력이 진행 중이다.

비정질 p-형 반도체 층과 비정질 intrinsic 층을 결정질 실리콘 위에 형성시켜 비정질 실리콘과 단결정 실리콘의 장점을 동시에 이용한 HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin layer) 구조의 태양전지가 개발되어 23.7%의 변환효율이 보고된 바 있다. 또한, 전면의 금속 전극을 없애고 모든 전극을 후면에 형성시키는 후면전극 구조에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있으며, MWT(Mmetal Wrap Through), EWT(Emitter Wrap Through) 및 IBC(Interdigitated Back Contact) 태양전지들이 이에 해당한다. 2013년에 발표된 Solar Biz의 MarketBiz 보고서에 따르면 2015년에 초고효율 결정질 실리콘 태양전지의 세계 시장 규모는 현재보다 2배 증가한 4.6GW에 이를 것이라 예측되고, 향후 4∼5년 이내 초고효율 결정질 실리콘 태양전지 구조 및 핵심 기술에 기반을 둔 태양전지 시장 점유율이 크게 상승할 것으로 전망되고 있어, 초고효율 태양전지의 경쟁력 강화를 통한 시장 선점이 시급한 상황이다.


고효율·저가실현 위해 ‘박형화·결정화’ 개발 필요

최적설계·소재 선정 및 공정비용 감소 기술 요구



○ 실리콘 태양전지의 전극

일반적으로 산업화된 스크린 프린팅 결정질 실리콘 태양전지는 공정이 단순하고 비교적 저가의 공정장비 사용으로 대량생산이 적합하다. 그러나 고가의 은(Ag) 페이스트를 이용한 전극형성 기술은 태양전지 생산원가를 감소시키려는 제조업체들의 가장 큰 장벽일 뿐만 아니라, 은(Ag) 페이스트를 구성하는 바인더 및 글라스 비드(glass bead) 등의 불순물에 의한 전기 전도도의 저하로 인해 태양전지의 효율을 감소시키는 문제가 있다. 전극 메탈리제이션( Metalization)을 이러한 고가의 은(Ag)을 사용하는 스크린 프린팅 공정에서 니켈(Ni)/구리(Cu)/주석(Sn)을 사용하는 공정으로 대체하여 비용을 절감할 수 있으며, 저저항의 초정밀 금속 배선의 형성이 가능하다. 구리(Cu) 전극의 경우 은(Ag)보다 대략 200배 이상 저가이고 전기전도도는 구리(Cu)가 0.596x106/Ω·cm 은(Ag)이 0.63x106/Ω·cm로 매우 유사하다. 은(Ag) 페이스트를 이용한 전극형성기술을 대체할 수 있는 기술로, 전기도금법 또는 무전해 도금법을 이용한 니켈(Ni)/구리(Cu) 금속으로 전극을 형성하는 기술들이 제시되고 있으나, 아직까지 실험실 수준에 머무르고 있는 것이 현실이다. 태양전지 전극을 형성하기 위해서는 전극 공정뿐만 아니라 이를 적용할 수 있는 생산 장비 또한 매우 중요하다. 하지만 국내 도금장비 업체는 R&D용 장비 개발을 시작하는 단계이며, 해외의 경우도 p-type 기판 수광부에 선택적 도핑 영역에 도금하는 방법만이 몇몇 장비회사(RENA, Schmid, Meco)에서 양산법으로 제시되고 있다. 또한, 니켈(Ni)과 실리콘(Si) 기판 간의 물리적 접착력도 낮아 태양전지 모듈 제작 시 많은 문제를 일으키므로 부분적으로 은(Ag) 페이스트 상에 은도금을 실시하여 약간의 효율 향상에만 적용하고 있는 실정이다. 지난 수십 년간 태양광 발전 기술 변화에 따른 제조 공정의 신뢰성, 자동화 및 단순화가 가능해졌다. 그러나 양산화에 적용되고 있는 실리콘 태양전지의 표준 크기는 10x10과 12.5x12.5cm2으로 양산 수율을 맞추기 위해서는 태양전지의 대형화가 요구된다. 이와 같은 한계를 극복하기 위해 효율 개선을 위한 기술 혁신의 일환으로 BCSC(Buried Contact Solar Cell), PERL(Passivated Emitter Rear Locally diffused) 셀 등의 다양한 태양전지 구조가 제안됐다.

○ BCSC(Buried Contact Solar Cell) 태양전지

스크린 프린팅을 사용해 제작된 SPSC(Screen Printed Solar Cell)는 약14∼16% 수준이며 전극 형성이 간단하고 연속적으로 공정에 적용할 수 있지만 전극에 사용되는 물질인 은(Ag) 페이스트는 글라스 프릿(glass frit) 성분을 포함하고 있어 비저항이 크다. 또한, 전극을 형성하는 과정 중에 전극 하부에 있는 도핑농도가 높은 에미터 층에서 식각이 일어나기 때문에 전극 저항이 크다는 단점이 있다. 이를 보완하여 개발된 것이 BCSC(Buried Contact Solar Cell) 태양전지이다. 다음의 그림과 같은 구조를 갖는 BCSC 태양전지는 레이저를 사용해 홈을 형성한 후, 형성된 홈 내에 전기화학방법을 통하여 전극을 매몰시켜 실리콘 태양전지 기판과 금속의 접촉면을 넓힐 수 있게 된다. 이는 전극의 면적을 5% 이하로 줄여 접촉 저항을 작게 할 수 있다. 이 태양전지는 호주의 뉴사우스웨일스대학교(University of New South Wales, UNSW)가 개발단계에서 변환효율을 23%로 보고한 바 있으며, 호주의 Unisearch Ltd., 영국의 BP Solar 등은 17∼18%의 변환 효율을 갖는 BCSC 태양전지를 생산하고 있다.

○ PERL(Passivated Emitter and Rear Locally Diffused) 태양전지

이 태양전지 또한 뉴사우스웨일스대학교에서 개발했으며, 24% 이상의 변환효율을 달성했다. 다음의 그림처럼 빛이 조사되어 흡수되는 면이 역 피라미드 구조를 갖고 있으며, 후면전극에는 부분적으로 P+층을 가지고 있다. 또한, 태양전지 기판의 전·후면에 산화층을 형성시켜 표면에서의 재결합을 줄이도록 설계되었다. 현대중공업에서는 이러한 태양전지 구조에 도금법을 이용하여 태양전지를 생산하고 있다. 이처럼 구조 변경을 통한 셀 효율 개선의 노력과 더불어 각 공정을 개선함으로써 효율 향상과 원가절감을 동시에 이루려는 노력이 진행 중이다.

○ 초박형 실리콘 태양전지 웨이퍼

초박형 (<50㎛) 결정형 실리콘을 제작하는 대표적인 기술은 이온주입법(ion implantation), 에피성장법(epi-growth), 스폴링법(spalling)이 있다. 현재까지는 수소 이온을 실리콘 내부의 일정 두께에 주입하는 이온주입법 기술과 박형 실리콘을 성장시켜서 떼어내는 에피성장 기술이 대표적으로 사용되고 있다. 이온 주입법의 경우 고진공에 따른 고품질을 얻을 수 있으나 제조비용 상승 문제가 있으며, 에피 성장은 습식 에칭 공정과 에피 성장 공정 등 매우 복잡한 제조 공정으로 낮은 수율이 문제가 되고 있다. 하지만 최근 저비용 공정으로 대면적에 적용이 가능한 스폴링법(spalling)은 다양한 기술을 통해 실리콘에 스트레스층을 증착하여 이 때 실리콘 내부에 잔류된 응력으로 인해 실리콘 박막을 떼어내는 방식이다. 하지만 이때 에지(edge)부분부터 스폴링(spalling)이 일어나지 않아 절단손실(kerf loss)이 발생할 수 있다. 또한, 초박형 결정형 태양전지의 낮은 흡수율이 문제점으로 대두되고 있으며, 이에 대한 한계 극복을 위하여 새로운 광전 소자 및 이를 위한 재료 공정 기술 개발과 더불어 표면형상 제어를 통하여 광흡수를 극대화시키는 연구가 진행 중이다.

스트레스층을 통한 스폴링(spalling) 기법을 이용하는 대표 연구기관들의 박형 실리콘 태양전지 성능 지표는 다음의 표와 같다. 공통적으로 P-N 접합을 형성시키는 방법은 amorphous Si(a-Si)를 이용하여 crystalline Si(c-Si)과 이종접합(heterojunction) 방식을 채택하였으며 이 중 미국 기업인 Astrowatt가 2014년에 가장 높은 효율을 보고하였다.

Astrowatt에서 제작한 박형 실리콘 태양전지 구조를 세부적으로 살펴보면 a-Si/c-Si 이종접합(heterojunction) 구조에 후면 전극은 local contact로 제작하였으며 상부에는 ITO를 증착해 반사방지막으로 활용 및 표면 contact 특성을 개선하였다. 이를 통해 박형 실리콘에서 발생할 수 있는 광 흡수율 감소 문제 및 기판 후면에서의 전하 재결합 문제를 줄여 높은 효율을 달성하였다. 그러나 전·후면의 보호막(passivation) 층이 존재하지 않아 여전히 상당량의 전하 손실이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 또한, 후면 local contact를 위해 포토리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하여 비용 상승의 문제점이 발생한다. 따라서 고효율 박형 태양전지 제작을 위해서는 최적의 디자인 설계 및 최적 소재 선정이 필요하며 추가적으로 공정비용을 낮출 수 있는 기술 개발이 필요하다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

2000년 초부터 전 세계적으로 신재생에너지에 대한 관심이 커지고 태양전지의 설치량이 급증하여 결정질 Si 태양전지의 원소재 공급 부족이 심화되고 원소재 가격이 폭등하였다. 이에 따라 태양전지 모듈 단가도 크게 상승하였고 이러한 배경을 통해 보다 저가의 모듈 제조가 가능한 전기도금을 이용한 태양전지 제작 및 박막 태양전지에 대한 관심이 증가하였다.

태양전지용 도금장비는 전기화학적 반응을 이용해 저가의 구리 금속을 배선화 할 수 있는 기술로서 기존 고가의 은(Ag)전극 인쇄공정을 대체할 수 있으며, 이 경우 75% 이상의 전극 재료비 절감이 가능하다. 또한, 전기화학적 반응을 이용한다면 전극의 미세화에 대한 대응도 용이한 장점을 지니고 있어 고집적화를 통한 고효율 태양전지를 이룰 수 있으며, 저온 공정(약 400℃)을 가능케 하여 인쇄 후 공정인 고온(약 800℃) 소결 공정을 없애 공정비용 또한 절감 가능하다.

다음의 <그림 3-1-1-8>은 2010년부터 2015년 상반기까지 poly-Si, mc-Si wafers, 그리고 태양전지 및 모듈 각각의 가격 변동을 나타낸다. 출하 다결정 전지의 평균 효율 17.3%를 기준으로 $/W로 계산하면, 이 중 모듈을 제외한 셀(③), wafer(②), poly-Si(①)의 2015년 1월 가격을 보면 각각 0.315, 0.201, 0.103 $/W로 나타난다. 따라서 초박형(두께 50 im 이하) 커프리스(kerfless) 실리콘 전지 개발시, 1) 기존 wire sawing에 의해 발생하는 kerfloss를 보수적으로 약 55%에서 25% 이하로 줄인다고 가정하면, wafer 당 poly Si 소비량 감소로 인해 ①항을 0.103$/W 에서 ∼0.08$/W로 감소 가능하며, 2) 기판 두께를 약 ∼¼ 로 감소시킬 수 있어서 wafer 와 poly Si 비용의 동시 절감을 통해 ②항이 기존의 0.201에서 ∼0.12 $/W로 절감 가능하며, 도금공정에 소요되는 공정비용의 경우 ∼0.025 $/W로 ③항이 기존의 0.315에서∼0.26$/W로 절감 가능하다.

최근 선진 개발국의 고효율 태양전지 기술 선점과 중국의 태양전지 대량 공급 등으로 인하여 국내 태양광산업이 크게 위축되고 있다. 태양전지 제조원가 구성에서 약 45%(잉곳: 23%, 가공: 22%)를 차지하고 있다(그림 3-1-1-9). 이에 따라 태양전지의 고효율화 및 저가 실현을 위하여 박형화 및 결정화의 기술 개발이 진행되고 있다. 국내 태양전지 기술 수준은 선진국 대비 단결정 실리콘 태양전지의 경우 90% 수준이지만 초박형 결정질 태양전지의 경우 70% 정도이고 초박형 실리콘 웨이퍼링 기술의 경우 매우 낮은 실정이다.
<그림 3-1-1-1>연도 및 태양전지 종류에 따른 효율 추이
<그림 3-1-1-2>태양전지의 구조 및 동작원리(a)와 손실 메커니즘(b)
<그림 3-1-1-3>상용 screen-printed 태양전지 구조
<그림 3-1-1-4>고효율 결정질 실리콘 태양전지의 예상 생산량
<그림 3-1-1-5>BCSC(Buried Contact Solar Cell) 태양전지의 구조
<그림 3-1-1-6>PERL(Passivated Emitter Real Locally diffused) 태양전지의 구조
<표 3-1-1-1>다양한 박형 실리콘 제조 기술
<표 3-1-1-2>대표 해외 연구기관들의 태양전지 성능 지표
<그림 3-1-1-7>Astrowatt의 박형 실리콘 태양전지 구조 모식도
<그림 3-1-1-8>태양전지 구성비율에 따른 가격추이
<그림 3-1-1-9>기존 sawing과 sawing을 하지 않는 웨이퍼링 생산 단가 비교

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