탠덤형 박막 태양전지 및 그의 제조방법 document_id A220623048683

태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 태양광을 직접 전기로 변환시키는 태양광발전의 핵심소자이다. 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력 : Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 동작원리이다. 1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정실리콘이다. 현재 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 이후 많이 떨어지긴 하였지만 현재로서도 시장, 특히 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 단결정실리콘으로 만든 태양전지의 효율이 기타 재료로 만든 태양전지에 비해 변환효율이 높기 때문이다. 반면에 가격은 아직 높은데, 그 해결방안으로 보다 저급의 실리콘을 이용하는 방법, 대량생산 및 공정 개선에 의한 방법 등이 시도 또는 계획되고 있다. 다결정실리콘 태양전지는 원재료로 저급의 실리콘 웨이퍼를 사용하는데, 따라서 효율은 단결정실리콘에 비해 낮은 반면 가격은 싸다. 그리고 이용분야도 주택용 시스템 등이 주 대상이다. 단결정 및 다결정실리콘은 bulk 상태의 원재료로부터 태양전지를 만들기 때문에 원재료비가 비싸고, 공정 자체가 복잡하여 가격의 절감측면에서는 한계가 있을 수밖에 없다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 방안으로 기판의 두께를 혁신적으로 줄이는 기술, 또는 유리와 같이 값싼 기판 위에 박막형태의 태양전지를 증착시키는 기술이 주목을 받고 있다. 기존의 박막 제조공정을 이용할 경우 보다 값싼 방법으로 태양전지의 대량생산이 가능하기 때문이다. 박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로 기존 결정질실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양전지의 제조가 가능하다. 하지만 결정질실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고, 특히 초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조의 비정질실리콘 태양전지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다. 뒤이어 출현한 박막 태양전지가 CdTe, CuInSe2계의 화합물 반도체를 소재로 한 것이다. 비정질 실리콘에 비해 효율이 높고, 또한 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양전지로 현재 CdTe는 대규모 전력용으로 사용을 위한 실증시험 중에 있다. CuInSe2는 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 변환효율을 기록하고 있는데, 아직까지 파일럿 생산단계로 대량생산단계까지는 이르지 못하고 있다. 이들 박막 태양전지는 전력용으로 사용되기까지에는 앞으로도 더 많은 연구개발이 필요할 것으로 예상되고 있다. CuInSe2로 대표되는 I-III-VI족 Chalcopyrite계 화합물 반도체는 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 1x105 cm-1 로 반도체 중에서 가장 높아 두께 1~2 μm의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하고, 또한 장기적으로 전기광학적 안정성이 매우 우수한 특성을 지니고 있다. 따라서 현재 사용되고 있는 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체하여 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 저가, 고효율의 태양전지 재료로 부각되고 있다. CuInSe2는 밴드갭이 1.04 eV로 이상적인 밴드갭 1.4 eV를 맞추기 위해 In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S로 치환하기도 하는데, 참고로 CuGaSe2의 밴드갭은 1.6 eV, CuGaS2 는 2.5 eV이다. In의 일부를 Ga으로, Se의 일부를 S으로 대체한 오원화합물은 CIGSS [Cu(InxGa1-x)(SeyS1-y)2]로 표기되는데, 대표적으로 이들을 CIS, CIGS로 표기하기도 한다. 장점 중의 하나인 장기적 신뢰성의 경우 1988년 11월에 시작한 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 장기 옥외 시험결과 10년 이후에도 효율의 변화가 없는 것으로 나타난 바 있다. CuInSe2 화합물반도체 박막태양전지는 1980년대 미국 Boeing사가 기존의 단결정실리콘(20 W/kg) 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수한데, 우주용 태양전지에서 가장 중요한 요소인 단위 중량당의 발전량이 현재 단일접합에서도 약 100 W/kg으로 기존의 Si이나 GaAs 태양전지의 20～40 W/kg에 비해 월등히 우수하다. 또한 1980년대 말부터는 저가 고효율의 지상발전용 박막태양전지를 목표로 선진국에서 집중적으로 기술개발이 추진되고 있는데, 밴드갭 1.2eV의 단일접합 CuInGaSe2 태양전지에서 최고 변환효율 19.2% 달성하여 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율(19.8%)에 근접하고 있다. 이러한 박막 태양전지의 장점을 활용하여 광전변환효율의 초고효율화를 달성하고 공정 측면에서도 저가화가 달성되면 화력발전 등 기존 발전방식과 전력시장에서 충분히 경쟁할 수 있고, 장차 우주용 태양전지로도 그 활용도가 크게 기대된다. 특히 유리와 같은 투명기판을 이용한 전형적인 구조의 CIGS(CuInGaSe2) 박막 태양전지의 저가·고효율화를 목표로 다양한 공정이 시도되고 있다. 금속원소의 3단계 Co-evaporation 방법으로 최고 15.4%의 변환효율을, 그리고 같은 3단계 공정으로 이원화합물을 사용한 경우 최고 13.4%의 변환효율을 얻는 기술이 개발되었다. Co-sputter에 의한 Cu-In-Ga 박막을 셀렌화하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술도 일부 시도된 바 있으나 변환효율은 매우 낮은 수준이다. CIGS 박막형 태양전지는 일반적으로 도 1에 게시한 바와 같은 구조를 가지고 있다. 도 1을 참조하면, 일반적인 CIGS 태양전지는 투명 기판(100) 위에 배면전극(101), 광흡수층(102), 버퍼층(103), 윈도우층을 포함하여 순차로 적층된 구조이다. 배면전극(101)은 주로 몰리브덴 등의 금속이 사용되고, 광흡수층(102)으로는 CIGS 계 화합물 반도체막이 형성되며, 버퍼층(103)은 황화카드뮴(CdS)이 사용된다. 윈도우층은 주로 금속 산화물이 사용되는데 도핑되지 않은 산화아연막(104)과 알루미늄과 같은 불순물이 도핑된 산화아연막(105)으로 형성되기도 한다. 일반적으로 이러한 윈도우층은 빛을 흡수하는 층으로 작용하고, 하부의 버퍼층은 광흡수층과 윈도우층 사이의 큰 밴드갭 차이를 완화하고 격자상수를 줄여주는 기능을 한다. 기판 위에 형성된 배면전극은 광흡수층에서 흡수한 광이 외부로 빠져나가지 못하도록 반사하는 기능을 수행할 수 있는데, 주로 몰리브덴이 사용되고 있지만 몰리브덴은 빛의 반사율이 떨어지므로 태양전지 효율을 높이기 위해서는 반사율이 높은 배면 전극 재료가 요구된다. 도 1과 같은 CIGS 태양전지는 CIGS막을 먼저 형성한 다음 그 위에 버퍼층 및 윈도우층을 형성하는 이른바 substrate 타입이 주로 이용되는 방법이지만, 그와 반대로 윈도우층을 먼저 형성하고 CIGS막은 나중에 형성하는 superstrate 타입도 연구되었으며 이런 구조는 encapsulation이 필요 없고 또 적층구조가 용이하다고 알려져 있다. 하지만 그 효율은 substrate타입에 비해 여전히 낮은 게 사실이다. 따라서, CIGS 태양전지의 효율을 높이기 위한 구조적 관점과 적층 공정의 관점에서의 연구가 더욱 필요하다.