1. 서론

화석연료 기반한 생활로 발생되는 이산화탄소 사용량

의 증가로 지구온난화에 대한 피해가 전세계적으로 증대

되고 있으며, 이는 개별국가적인 문제가 아닌 전세계가

동시에 환경 및 자원문제에 대하여 근본적인 해결책을

간구해야 하는 빅이슈로 떠오르고 있는 핵심해결사항이

다. 신재생에너지원 중 무한 청정에너지원으로서 태양을

이용한 여러 가지 기술중 태양에서 나오는 빛을 전기로

바꾸는 태양광(태양전지)에 대한 연구개발과 제품생산

이 전세계적으로 확대되고 있다. 1956년에 고순도 단결

정 실리콘 제조 방법이 개발되어 Bell 연구소에서 최초

로 4% 효율의 단결정 실리콘 태양전지를 만들었고 1960

년대 미국과 러시아(구 소련)가 우주개발 경쟁을 하면서

태양전지는 인공위성의 전원 장치의 중요 핵심 소자로써

많은 연구가 이루어졌다. 그 후 다소 둔화되다가 1970

년대 후반 오일쇼크 등 에너지 위기에 직면하면서 지상

용 전력으로 본격적으로 도입이 시도되면서, 1980년대

에는 단결정 실리콘 태양전지 제조 기술의 급격한 발전

으로 광변환 효율이 20%에 이르렀으며, 실리콘 기판을

이용한 초고효율 구조에서 25.6%의 효율을 달성하고

있다 [1]. 실리콘을 이용한 태양전지뿐 아니라, 유리기

판, 금속기판 또는 플라스틱 기판위에 박막형태로 태양

전지를 구현할수 있는 구조가 소개되면서, CuInGaSe2

(CIGS), CdTe, 유기, 염료감응형 및 Perovskite 등 다

양한 태양광 흡수층 소재가 개발되어 오고 있다. 점진적

으로 저가·고효율화를 위해 기존 실리콘계 중심에서 비

실리콘계의 흡수층 소재로의 전개가 이뤄지고 있으며,

최근에는 태양광 스펙트럼의 최대 활용을 위해 이중접합

(tandem)형 구조가 소개되어 40.6% 이상의 효율을 달

성이 가능하다는 연구결과값이 발표되기도 했다 [2]. 여

러 가지의 범주의 차세대 저가·고효율 태양전지가 있지

만, 본 논문에서는 한국생산기술연구원에서 지금까지 직

접적으로 수행하였던 태양전지에 대한 연구개발 결과와

장비/인력 현황을 소개하고자 한다.

2. 태양광 연구개발

2.1 나노구조 태양전지

태양에너지를 이용한 차세대 저가·고효율 태양전지 기술

특집

The Next Generation Photovoltaic Technology for Cost-Effective and High Efficiency

Chaehwan Jeong

Photovoltaic technology has been intensively developed as

one of the most powerful renewable energies, replacing a fossil

fuel such as coal and petroleum. Every country in the world has

emphasized on development of photovoltaic technology and our

government has invested heavily in low cost and high efficiency.

Korea institute of industrial technology (KITECH) has lastingly

constructed PV R&D infra for development of cost-effective and

high efficiency solar cells as well as support of commercialization

in PV's small and medium enterprises. In this paper, we introduce

the next generation PV R&D and infra in KITECH.

자연 에너지 변환 기술

정채환

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 06 June4

<저자 약력>

정채환 수석연구원은 2008년 동경농공대학 전자공학과에서 공학박사를 받았으며, 현재 한국생산기술연구원 광에너지융합그룹

에서 수석연구원으로 재직중이며 태양광 R&D센터의 센터장을 역임하고 있다. (chjeong@kitech.re.kr)

http://dx.doi.org/10.5757/vacmac.3.2.4

태양에너지를 이용한 차세대 저가·고효율 태양전지 기술

차세대 실리콘 태양전지 제조공정으로서 나노구조를

이용한 저가·고효율 태양전지 개발이라는 주제로 1단계

(2012~2015)를 수행하였고, 현재 OCI 주관으로 2단계

(2015~2017)를 한국생산기술연구원, 성균관대학교, 연

세대학교, DCT, 에스디엔 등이 참여하여 진행하고 있다.

이 장에서는 1단계에서 수행되었던 주요성과과 내용을

소개하고자 한다.

나노 또는 마이크로 구조화를 통해 실리콘 표면을 얻

는 장점으로는, 나노 구조의 경우 antireflection 효과

를 통하여 기존 텍스쳐 공정(평균 반사도 10%) 대비 5%

내외로 반사도를 줄여 입사되는 광을 효율적으로 활용할

수 있다는 점이다. 마이크로 구조의 경우 반사도는 텍스

쳐 공정보다는 높지만, 캐리어의 이동 경로를 짧게하여

캐리어의 재결합율을 감소시킴으로써 높은 전류밀도를

얻을수 있는 radial junction 효과가 있다.

주기적으로 나노/마이크로 공정을 구현하는 것도 중요

하지만, 도핑, 패시베이션, 전극 공정 등 나노구조에 적

용 가능한 후공정 개발 역시 매우 중요하다. 일반적인 공

정을 적용했을 경우 나노/마이크로의 장점을 얻을 수 없

기 때문에 후공정에 대한 다양한 연구개발이 시도되었다.

현재 나노구조라고 분류할 수 있는 것은 black silicon,

tapered 나노와이어, Periodic 나노와이어, 더블 텍스쳐,

나노 피라미드, CNMWs(Co-integrated Nano- and

Micro- wires) 등이 있다.

다양한 나노구조 태양전지를 시뮬레이션하고 직접 제

조함으로써 상용화 가능성이 높은 후보군을 도출하고, 2

단계 기업주관의 상용화 과제에 직접적인 연계가 가능한

목표를 달성하는 것이 본 과제의 역할로 인지될 수 있다.

결론적으로 최고로 구현된 나노구조 태양전지의 효율은

19.7% (solar grade, 10.24㎠)으로 상용화 가능성을 제

시할 수 있다.

Tapered CNMWs의 경우는 12.7%, Raidal MWs의 경

우는 세계최초로 PR free 공정을 이용하여 18.32%, 박막

나노구조 태양전지에서 FTO glass를 이용하여 11.58%,

나노구조 Tandem형에서는 14.31%의 효율을 각각 얻을

수 있었다 [3].

2단계로 진행되고 있는 현 프로젝트에서는 6인치급 대

면적에서 나노/마이크로 구조를 적용하여 20% 이상의

고효율화를 구현하는 것으로 목표가 설정되어 있으며, p

type과 n type 6인치 웨이퍼에 공통으로 적용 가능한 공

정개발을 목표로 하고 있다.

5특집 _ 자연 에너지 변환 기술

[Fig. 1] Several advantages by patterning nano- and micro-size in

silicon wafer.

[Fig. 2] several kinds of nano-structure solar cells

[Fig. 3] Nano-structured solar cell efficiency map achieved in KITECH

2.2 나노텍스쳐 플라즈모닉 기판을 이용한

Si 박막태양전지

실리콘 박막태양전지의 고효율화 요소공정개발을 위하

여 중국의 CAS(Chinese Academic Science) 상하이 분

원인 SARI(Shaghai Advanced Research Institute)의

Chen 교수팀과 1년여 간 국제공동연구를 수행하였고,

지속적으로 교류하고 있다. Chen 교수팀에는 8명의 박

사급 연구원과 14명 이상의 연구원이 태양전지 연구개발

에 집중하고 있으며, 실리콘 벌크와 박막쪽에 집중적으

로 연구결과를 도출하고 있다.

비정질 실리콘 박막태양전지의 효율성과 활용도를 높

이기 위하여 flexible 기판상 여러 가지 고효율화 인자

중, 나노구조 패턴과 금속나노입자를 이용한 플라즈모닉

현상을 이용하면 지속 가능성을 확인할 수 있다고 판단

되었으며, 그림 5와 같은 구조로 셀을 구현하였다.

기판과 소자와의 전기적, 구조적 매칭을 위하여 AZO

박막 두께를 가변함으로써 어떠한 특성이 나오는지를 비

교해보았으며, 각각에 대한 단면/표면의 SEM 이미지와

이에따른 태양전지의 효율변화가 그림 6에 있다. 두께가

증가함에 따라 Jsc가 증가하나 200 nm 일경우에는 감소

하는 경향을 보이며, 100 nm 두께에서 약 6.36%의 효율

을 갖는 태양전지가 구현될 수 있었다 [4].

태양광의 입사되는 빛의 각도의 변화에 따른 플렉서블

실리콘 태양전지의 효율 변화를 살펴보기 위하여 그림 7

에서 보는 것과 같은 장치를 이용하여 효율 변화를 살펴

보았을 때 텍스쳐된 표면구조에 의해서 입사각이 증가된

다고 하더라도 변환효율은 초기효율대비 60.7% 수준에

서 남아 있었다. AZO의 두께에 따른 표면 형상 제어를

통해 광학적, 전기적 특성이 구현될 수 있으며, Ag 금속

영역에서의 광흡수 손실이 AZO 박막을 적용함으로써 감

소됨을 알 수 있으며, 이를 통하여 Ag에 의한 플라즈모닉

효과도 또한 향상될 수 있음을 알 수 있다. 이러한 현상을

이용하여 현재 태양전지 소자뿐만 아니라 광센서 등 광전

소자에 요소기술을 적용함으로써 향상된 효과를 얻을 수

있을 것이라고 예측된다.

특집 자연 에너지 변환 기술

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 06 June6

[Fig. 5] Structure of plasmonic silicon thin film solar cells on flexible

Al substrate.

[Fig. 4] Pictures of the international cooperative R&D for silicon thin

film solar cells.

[Fig. 6] SEM images and LIV performance of solar cells with a

variation of AZO thickness.

태양에너지를 이용한 차세대 저가·고효율 태양전지 기술

2.3 CIGS 박막 태양전지

여러 가지 응용분야를 대상으로 유리기판, stainless

steel, polyimide 등을 이용하여, 고효율 CIGS 박막태

양전지에 대한 제조공정을 연구해오고 있다. 특히 유리

기판의 고효율화 공정조건 (현재 약 18% 효율 확보)을

기반으로 flexible 기판을 이용한 태양전지 제조공정기술

을 연구하고 있으며, 대표적인 몇 가지 실적을 보여주고

자 한다.

그림 13은 flexible CIGS 박막태양전지 제조공정을 보

여주고 있는데, CIGS 흡수층을 제조하는데 사용되는 공

정은 NREL에서 개발된 3 stage process를 이용하고 있

다. 기존 3 stage를 미세 튜닝을 통하여 I/III 조성비 제

어를 수행하였고, stoichiometric composition을 맞추

기 위하여 노력하였다.

I/III 조성비의 변화에 따른 태양전지의 효율 등

parameter값 변화을 나타내고 있는데, 정확한 조성

비 (약 0.95) 근처에서 현재 가장 높은 효율로서 17.8%

이 구현됨을 확인할 수 있었으며, (220/204) 우선배향된

CIGS 흡수층 박막이 제조되었음을 확인하였다. 이러한

공정조건을 바탕으로 sodium이 없는 corining 유리기판,

stainless steel과 polyimed 기판 위에 태양전지를 제조

구현하였는데, 그림 14에서 보는 것처럼 알카리 원소가

부족함에 따라 효율이 약 4% 감소, Stainless steel 기판

의 Cr, Ni 등 defect의 확산에 의해 추가적으로 약 3% 감

소, 고온공정상 기판의 damage로 인해 추가적으로 1%의

효율감소가 일어나고 있음을 확인하였고, 이를 개선하기

위한 자작업을 진행중에 있다.

먼저, Cr, Ni 등 불순물의 확산방지를 위해 기존 사용

되었던 두꺼운 SiO2(약 1~2 μm) 대신 intrinsic-ZnO

층을 50~200 nm 로 가변하면서 diffusion barrier 층의

역할을 가질수 있는지를 확인하였다.

그림 11에서 보는 것처럼, intrinsic ZnO를 사용함으

로써 모든 두께 조건에서 효율이 사용하지 않는 조건보

다 약 3% 이상이 상승함을 알 수 있으며, 기존의 두꺼운

SiO2 층 대신 매우 얇으면서 CIGS 공정에 원래 사용되는

스퍼터링화 ZnO 박막을 이용하여 확산방지막을 형성할

수 있다는 실험결과를 얻을 수 있었다 [5-6].

또한, 폴리이미드 (PI) 기판의 높은 공정온도에 의한

7특집 _ 자연 에너지 변환 기술

[Fig. 8] Process flow of flexible CIGS thin film solar cells.

[Fig. 10] Structure of flexible solar cells and SEM images with a

variation of intrinsic ZnO thickness as diffusion barriers.

[Fig. 7] Changes of conversion efficiency in bending angle.

[Fig. 9] Changes of conversion efficiency in a various of substrate

type.

damage를 줄이기 위해 400도 이하의 저온공정을 적용

하는 공정과 기판이 roll-over 되지 않도록 잘 지지할 수

있는 기판홀더 설계 및 제작을 통해 13%의 높은 효율을

얻을 수 있었다.

현재 Na, K 같은 알카리 원소를 첨가하기 위한

evaporation 장비 setup이 완료되었고, 금년 하반기

에 알카리 원소 첨가를 통한 Voc 향상을 통해 더 높은

flexible CIGS 박막태양전지가 구현될 것으로 예측되고

있다.

3. 한국생산기술연구원의 태양광 연구개발 현황

지속발전가능한 신재생에너지산업 육성을 위해 한국

생산기술연구원은 2008년부터 지속적인 연구인프라를

구축해왔다. 2008년 한국생산기술연구원 약 1,650㎡의

전용공간으로 솔라시티센터를 개소하여 태양광, 이차전

지 및 연료전지의 연구개발 및 기업지원 업무를 본격적

으로 시작하게 되었으며, 2012년에 태양광분야에 좀더

집중하기 위하여 868㎡의 전용공간을 별도로 구축하여

태양광 R&D센터를 개소하게 되었다.

솔라시티센터와 태양광 R&D센터는 신재생에너지 관련

중소기업의 연구개발 및 기업지원 지원에 집중하여, 중소

기업을 글로벌 핵심 중견기업으로 육성하기 위해 약 100

여 명의 산학연관 전문가들과 네트워킹을 구축하고 신

규 신재생에너지 분야의 고부가가치 및 고효율 지향 연

구개발 사업을 기획하고 있으며, 다양한 형태의 육성지

원 프로그램을 개발하고 있다. 태양광, 연료전지 및 이차

전지 중심으로 약 100여 종의 장비 및 설비 인프라를 구

축하였고, 태양광 분야는 저가·고효율 실리콘계 태양

전지, flexible CIGS 박막태양전지 등 소재/소자분야와,

최근 태양전지를 이용하여, 생활밀착형 전원개발, CCU

(Carbon Captured Utilization) 등 다양한 응용분야에

대한 연구개발을 진행하고 있다. 또한 차세대 고용량 리

튬이차전지 전극소재, 분리막 제조공정과 고체산화물 연

료전지의 셀 소재 합성 및 단위셀 제조기술 등에 대한 연

구개발도 진행되고 있으며, 최근 지열/폐열을 이용한 에

너지원 활용기술에도 연구를 진행하고 있다. 산업원천 핵

심소재/부품에 대한 제조공정과 고품위 평가분석 기술 확

보를 주력으로 하여 산업계에서 단기간과 중장기적으로

활용될수 있는 응용분야를 발전로드맵을 선정하여 사업

진행을 하고 있으며, 급변하는 환경에 효율적인 대처와

산학연간 기술/사업 등 정보 커뮤니티 활성화을 위해 센

터의 개방화 및 공동협력을 통해 중소·중견기업의 경쟁

력을 향상시키는 허브역할을 최종 목표로 하고 있다. 최

근 5년간 약 100여 건의 특허 확보, 60편 이상의 SCI 논

문과 더불어 핵심원천제조공정 기술 확보에 의한 기술이

특집 자연 에너지 변환 기술

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 06 June8

[Fig. 11] LIV performances and external quantum efficiencies of

flexible CIGS thin film solar cells with a variation of intrinsic

ZnO thickness.

[Fig. 13] The whole view of solar city center and PV R&D center in

KITECH.

[Fig. 12] LIV performance and QE of low-temperature flexible solar

cells on polyimide substrate.

태양에너지를 이용한 차세대 저가·고효율 태양전지 기술

전 및 상용화 기술개발이 활성화 되고 있는 추세이다.

센터에 구축된 장비는 주로 공용성의 평가분석장비, 태

양광, 연료전지 및 이차전지 관련 전문 제조공정 및 평가

분석장비로 분류되어, 솔라시티센터, 태양광 R&D센터와

산학연이 유기적이며 효율적으로 구축 인프라를 활용할

수 있도록 운영되고 있다.

즉, 공용성이 요구되는 소재분야의 특성평가장비로는

FE-SEM, HR-XRD, ICP-Mass, FT-IR, Hall effect

measurement system, BET 등 구조적, 전기적, 열적,

기계적 특성을 평가할수 있는 대표적인 장비가 구축되

어 다수의 산학연이 활용하고 있다. 태양광 분야는 크게

기업지원용 인프라와 산업원천기술개발을 위한 인프라

로 분류될수 있는데, 기업지원용 인프라의 경우, 실제 산

업현장에서 사용되는 대면적 모듈에 대한 특성평가 장

비 중심으로 구축되어 있으며, 대표적인 장비로는 대면적

solar simulator (벌크, 박막), Light Soaking system,

LED 솔라시뮬레이터 등이 있으며 솔라시티센터에 집적

화 되어 있다. 태양광 R&D 센터에는 분광응답측정시스

템, DLTS, GD-OES, Kelvin Probe, PCD 등 다수의 분

석장비 30여 종이 구축되어 있다.

태양전지를 제조할수 있는 장비로는 Wet station, 도

핑 퍼니스, PECVD, 스크린 프린팅 및 Firing furnace

등 단결정/다결정 실리콘 태양전지 제조 장비가 batch

형으로 구축되어 있으며 실리콘 박막을 제조할수 있는

clustered PECVD system (PECVD 2대, Sputter 1대,

ALD 1대)이 있다.

CIGS 박막태양전지 제조를 할수 있는 장비로는 2 step

process (스퍼터링+셀렌화/설퍼화) 구현이 가능한 스

퍼터링 장비 (Mo용 DC sputter, CIGS 흡수층 제조용

DC& RF co-sputter, ZnO 제조용 RF 스퍼터)와 RTP

등이 구축되어 있으며, 주로 유리기판을 이용한 CIGS 태

양전지 제조에 활용되고 있다. 최근에는 flexible CIGS

박막태양전지에 집중하기 위하여, co-evaporation 장치

를 도입하여 만족할 만한 결과를 도출하고 있다.

9특집 _ 자연 에너지 변환 기술

[Fig. 14] The organization's current state and role of new and

renewable energy specialist in KITECH.

[Fig. 16] The representative equipments for characterization and

analysis

[Fig. 15] Picture of a constructed facility and equipment in KITECH

이밖에 고체산화물연료전지를 개발하기 위한 화학적

합성장치, 전극제조용 테이프 캐스팅, 소성로, 조립장비

및 리튬이차전지용 전극/분리막 소재 개발을 위한 드라

이룸 등이 솔라시티센터내에 구축되어 있다. 센터 내 연

구진으로서 태양광 분야는 정채환 박사, 김태원 박사, 부

성재 박사, 김정철 박사, 최범호 박사, 이종호 박사 (본부

장), 김영백 박사, 김재웅 박사, 지홍섭 박사 등이 있으

며, 박사과정 8명과 석사과정 12명 등이 함께 연구를 수

행하고 있다. 또한 이차전지/연료전지 분야로는 김호성

박사, 장덕례 박사, 임진섭 박사와 지열 분야로는 김영원

박사가 신재생에너지 기업지원 및 연구개발에 참여하고

있다.

4. 맺음말

지금까지는 태양전지 요소공정 및 고효율화 등에 집중

하여 효율 상승쪽에 주력해 왔다면, 향후에는 태양전지

가 응용될수 있는 여러 가지 분야에 직접적으로 적용하

여, 제품화를 이룰 수 있는 시스템 응용분야로 확대 발

전할 계획을 가지고 있다. 그림 18에서 보는 것과 같이,

기존 효율 한계 극복을 위하여, 다양한 tandem 구조를

설계하여 실험 진행을 통한 사업화를 모색하고 있다. 특

히 이종접합 개념의 비정질 실리콘 박막과 CIGS를 접합

하는 구조와 페로브스카이트와 p형 실리콘 벌크 태양전

지를 접합하는 것은 국내뿐 아니라 세계 최초로 시도되

는 구조로서 현재 실험을 진행중에 있다.

또한, 제품화의 대상으로는 BIPV, TIPV 등 초경량 유

연성 제품과, Curatin Wall 등 생활 밀착형 전원 등이 있

으며, 최근 이슈가 되고 있는 CCU에 활용되는 PV-EC

연계시스템에 직접적으로 활용이 가능한 스펙으로 접근

을 연구개발을 시도하고 있다. 향후 3년 이내 태양광제품

을 이용한 성공적인 제품개발을 목표로 새로운 도약을 준

비하고 있다.

특집 자연 에너지 변환 기술

진공 이야기 Vacuum Magazine │2016 06 June10

[Fig. 17] Process equipments of solar cells in KITECH

[Fig. 19] Various of application for PV product.

[Fig. 18] Tandem solar cells based on hetero-junction.

[1] M. A. Green, K. Emergy, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, Prog. in Photovolt. 23, 1 (2015).

[2] I. Almansouri, A. Ho-Baillie, and M. Green, Jap. J. Appl. Phy. 54, 08KD04-1 (2015).

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│References│