CIGS 박막형 태양전지 기술 동향

CIGS 박막형 태양전지 기술 동향

최근 실리콘 공급부족으로 가격이 급등하면서 박막형에 대한 시장 관심이 커지고 있다. 2008년 폴리실리콘 가격은 약 $75/kg으로 2003년에 비해 약 3배 이상 증가하였고, 소규모 거래의 가격은 현재 $200~300/kg으로 장기공급가 대비 약 2~3배가 될 정도로 고가에 판매되고 있다. 이런 이유로 현재 세계적으로 약 150개 업체에서 저원가의 박막형 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다. 박막형 태양전지에는 일반적으로 a-Si, CdTe, CIGS의 3종류가 주로 연구개발 되고 있으며 이번 칼럼에서는 CIGS 기술 및 시장에 대해 소개하고자 한다 박막형 태양전지 생산전망 (참조: Credit Suisse, Thin film Technology 2008.03) CIGS 박막형 태양전지는 4마이크론 이하의 두께로 얇게 제작되므로 재료의 소모량이 적고(highest specific power), 가볍기 때문에 휴대가 가능하여 활용범위가 넓다. 또한, 아름답게 제작할 수 있어 건물 일체형 태양광 발전 시스템(building integrated photovoltaic, BIPV)등에 적용될 수 있다. 2010 이후에는 박막형 태양전지가 태양전지 시장을 주도할 것으로 예측되고 있고, 박막형 태양광 발전 시장이 2007년 현재 10억 달러 정도에서 2015년에는 72억 달러를 상회할 것으로 전망된다. 미국, 유럽, 일본 등에서는 기존의 결정질 실리콘을 대체하고자 국가적인 차원에서 연구개발을 추진하고 있다. 미국의 Maine 대학과 Bell 연구소에서 고효율 태양전지로서의 가능성이 처음으로 확인된 후, Boeing사는 1980년에 이미 효율 10% 이상의 태양전지를 개발하였고, 이 기술을 토대로 유럽의 EUROCIS 팀은 1993년에 효율 15%, 미국 NREL이 1999년에 효율 18.8%를 달성하였고, 2003년에 최고 기록인 19.2%를 달성하였다. 그러나 아직도 모듈의 효율이 매우 낮고 대형화를 위해서는 많은 기술개발이 필요한 실정이다. 국내 연구기관으로는 KAIST, 에너지기술연구원, 서울대 등을 중심으로 동시증발법을 활용하여 작은 셀로 효율 15.4%를 달성한 바 있으나, 주로 나노분말을 이용한 CIGS 태양전지에 관한 연구 및 tandem 구조에 대한 기초연구가 수행되고 있는 정도이다. 특히 모듈의 효율이 실험실에서 제작된 태양전지에 비하여 낮아서 대규모 상업화까지에는 앞으로도 많은 기술개발이 필요할 것으로 예측된다. CIGS 단면구조 CIGS기본구조는 5개의 단위 박막 - 배면전극, 광흡수층, 버퍼층, 앞면 투명전극, 반사방지막이 순차적으로 구성되며 태양전지의 면적이 커지면 면저항의 증가로 인하여 효율 이 감소하게 되므로 대면적 모듈의 경우는 일정한 간격으로 직렬연결이 되도록 패터닝 되어 있다. 기판의 재질로는 일반적으로 유리가 사용되며, 기타 유연성이 있는 고분자 재질이나 스테인레스 박판 등도 사용될 수 있다. 그중 유리기판을 사용할 때 가장 높은 효율의 태양전지를 만들 수 있으며, 저철분 소다라임 유리를 사용하므로 500℃가 넘는 공정온도에서 유리내부의 Na+이온 용출된다. 그러나, 최근 연구 결과 소다라임에서 용출되는 Na+이온은 CIGS의 효율을 더욱 높인다는 결과를 발표하고 있다. 유리 이외의 metal foils의 경우 표면 품질이 미약한 단점이 있으며 대표 업체로는 Kovar, Lnvar가 있다. 고분자 재질의 polyimide는 현재 낮은 adhesion으로 전극이 박리되는 단점이 있고 대표 업체로는 Kapton, Upilex이 있다. 배면전극으로는 Ni, Cu 등이 시도된 적도 있으나, 현재로는 Mo이 가장 널리 사용된다.  Mo박막은 전극으로서 비저항이 낮아야 하며 열팽창계수의 차이로 인한 박리현상이 일어나지 않도록 유리기판에의 접착성이 우수해야 한다. 증착은 PVD(Physical Vapor Deposition)방법을 적용하며 패터닝은 레이저를 사용한다. CIGS 광흡수층을 증착하는 방법은 동시증착(co-evaporation)법, 스퍼터링(sputtering)법, 전착(electro-deposition)법, 유기금속 기상성장법(molecular organic chemical vapor deposition, 이하 MOCVD)법 등이 있고, 이들 중 상용화가 추진 중인 제작방법은 동시증착법과 스퍼터링법이 있으며 이중 현재까지 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 방법으로 알려진 것은 동시증발법 이다. 동시증발법 진공 쳄버 내에 설치된 작은 전기로의 내부에 각 원소(구리(Cu), 인디움(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se) 등)를 넣고, 이를 저항 가열하여 기판에 진공증착시켜 CIGS 박막을 제작하는 기술로서 구조가 간단하고, 저렴하게 구성할 수 있어 오래 전부터 실험실에서 폭넓게 사용해오던 방법이다. 이 방법은 대면적화가 어렵고, 효율면에서는 우수하나 셀레늄에 의한 심각한 진공장비의 오염이 수반되어 지속적으로 재현성 있는 박막을 제작하기가 매우 어렵다. 또한 공정온도가 높으므로 대형화 시 기판의 열적 변화 및 공정 control은 쉽지 않으며, 증착 챔버 개수, 증착방식의 대형화를 위한 하향식의 해결과제가 존재한다. Sputtering/Selenization 법은 비교적 장치가 간단하고 손쉽게 금속 또는 절연체를 증착할 수 있어 연구용뿐만 아니라 생산용으로 폭넓게 활용되고 있는 기술이다. 특히, 스퍼터링은 아르곤(Ar)과 다른 혼합가스를 사용함으로써 반응을 수반한 화합물 증착이 가능하여 산화물 박막이나 질화물 박막 등의 제작에 유용하게 사용되고 있다. 스퍼터링은 넓은 면적의 박막을 제작할 수 있어 CIGS 태양전지 상용화에 매우 근접한 기술로 평가 받고 있다. 구리와 갈륨 합금 타깃과 인디움 타깃을 순차적으로 스퍼터링하여 구리-갈륨/인디움 합금 박막을 제작한 후 셀렌화수소(H2Se) 가스 분위기에서 열처리하여 CIGS 박막을 제작하고 있다. 이 방법은 대면적화가 용이하다는 장점은 있으나, 양질의 박막제작이 어려워 실제 얻어지는 에너지 변환 효율은 동시증착법에 미치지 못하고 있다. CIGS 세부공정 구조 Wuerth Solar (Coevaporation) Showa Shell Sekiyu (Selenization/Sulfurization) 유리기판 소다라임(3mm) 소다라임(1.8mm) 전극 Sputtered-Mo Pattern 1 Laser p-type Absorber Cu, In, Ga, Se Coevaporation-one step Method 기판온도 520℃이상   Cu-Ga alloy/In Stacked Precursor + Selenization/Sulfurization 기판온도 520℃이상   n-type Buffer CBD CdS  CBD Zn(O,S,OH)  Pattern 2 Mechanical Scribing n-type Window(TCO) Sputtered-ZnO:Al(AZO) MOCVD-ZnO:B(BZO) Pattern 3 Mechanical Scribing (참조: 에너지기술연구원 발표자료) CIGS 태양전지는 p형 반도체인 CuInSe2 박막과 n형 반도체인 ZnO 박막의 pn접합을 형성한다. 그러나 두 물질 사이의 격자상수 및 에너지 밴드갭의 차이가 크기 때문에 양호한 접합을 형성하기 위한 버퍼층으로 CdS가 사용되며 CBD법 (화학적 용액성장법, chemical bath deposition, 또는 "Dip-Coating")을 사용하여 박막을 형성된다. CdS 박막은 2.42eV의 에너지 밴드갭을 가지며, In, Al, Ga 등을 도핑시킴으로써 낮은 저항값을 얻을 수 있다. 앞면 투명전극으로는 에너지 밴드갭 약 3.3eV, 80% 이상의 광투과도를 가지는 ZnO 박막이 사용되며 주로 RF 스퍼터링법으로 만들어진다. 반사방지막은 태양광의 반사손실을 줄여서 1% 정도의 광전 변환효율을 향상시키는데 사용된다. CIGS 태양전지는 Honda, Showa Shell, MiaSole, Wurth Solar 등 해외 8개 업체에서 소량생산 단계이며 최근 대량 생산계획을 속속 발표하고 있다.  국내에서는 삼성전자 LCD총괄, LG Display, LG마이크론에서 중소업체로는 텔리오솔라에서 연구 개발되고 있다. 아래표는 현재 전세계 CIGS업체의 상용화 및 증설계획에 관한 내용이다 CIGS 상용화 동향 회사 기판 생산량(2007) 증설계획 USA Miasole STS 5(MW) 100(2010) Global Solar STS 3 40(2008) Daystar Technology Glass 1 25 Ascent Solar Polymer 2 27 Nanosolar Flexible 430 solopower Steel 20 ISET Glass/Flex 3 Heliovolt Glass/Flex 20 Japan Showa Shell Glass 20 80(2009),1G(2011) Honda Glass 27.5 Europe Wurth solar Glass 15 30(2008) sulfur cells Glass 0.5 50(2010) Johanna Solar Tech Glass 60(2010) Solibro Glass 100(2010) Avancis Glass 80(2010) Odersun Cu Tape 5 CIGS를 이용한 박막형 태양전지를 일본의 쇼와쉘과 혼다가 각각 2007년 7월과 10월에 각기 양산을 시작하면서, 국내 기업들이 CIGS에 대한 사업화에 관심이 높아지고 있다. 현재까지 양산 capa는 쇼와쉘이 가장 높으며, 2011년에는 1GW 생산을 목표로 하고 있다. 4원 화합물인 CIGS는 물성이 다른 반도체에 비해 매우 복잡하기 때문에 이를 이용한 효율 높은 태양전지를 생산하기 위해서는 무엇보다도 CIGS 물성을 잘 이해하는 인력을 양성과 기술확보를 위한 국가적인 지원이 선진기술에 근접하기 위한 필수라고 생각된다.