박막형 태양전지

박막형 태양전지

 

○ 박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로 기존 결
정질실리콘 태양전지의 약 1/100에 해당하는 두께만으로도 태양전지의 제
조가 가능하다. 하지만 결정질실리콘 태양전지에 비해 효율이 낮고, 특히
초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 대
규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계, 라디오, 완구 등 소규모 가전
제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초
기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조의 비정질실리콘 태양전
지의 개발과 함께 일부 전력용으로 이용이 되기 시작하였다.
○ 1950년대 인공위성 및 우주선등의 전력 공급을 위해 사용되기 시작한 태
양전지는 1970년대 초 석유파동을 거치면서 우주에서의 이용뿐 아니라
지구상에서의 이용가능성에 대한 연구가 활발히 진행되기 시작하였다. 태
제3장 기술개발 동향분석 25
양전지 시장은 지난 5년간 매해 약 30% 이상 성장하였으며 최근에는 외
딴 지역의 전력 공급뿐 아니라 도시 주거지역의 전력 공급에도 이용되고
있다.
○ 태양광 발전이 기존의 발전기술과 비교하여 경제성을 갖추기 위해서는 모
듈생산 단가를 US $1/W까지 낮추어야 한다. 현재까지 개발된 태양전지
기술 중 이러한 목표에 가장 근접한 기술 중 하나가 바로 박막 실리콘
태양전지이다. 결정질 실리콘 웨이퍼를 사용하는 벌크 형 실리콘 태양전
지는 높은 효율과 실리콘이 가지는 비유독성, 자원의 풍부함 등으로 인해
현재 태양전지 시장의 80% 이상을 차지하고 있지만 태양전지 단가의 40
%를 차지하고 있는 실리콘 기판의 높은 가격으로 인한 높은 제작 단가와
대면적화가 불가능한 단점을 가지고 있다.
○ 박막 실리콘 태양전지 기술의 경우 아직까지 성능의 재현성 문제 및 벌크
형 실리콘 태양전지에 비해 낮은 변환 효율 등의 문제를 가지고 있지만
모듈 제작에 사용되는 재료의 비용이 낮기 때문에 제작 단가를 크게 낮출
수 있고 대면적화가 용이하기 때문에 태양전지 시장을 주도하는 기술이
결국에는 벌크형 실리콘 태양전지 기술에서 박막 실리콘 태양전지 기술로
바뀌어 갈 것으로 예상된다. 현재 박막 실리콘 태양전지 기술은 오랜
연구 개발 단계를 끝내고 예비 생산(pilot production)단계에서 대량 생산
(industrial production)단계로 넘어가고 있다.
○ 박막 태양전지란 전기를 발생시키기 위한 활성 층으로 실리콘 웨이퍼 대
신에 유리등의 기판 위에 박막을 증착한 것으로, 태양전지 제작에 필요한
반도체 물질의 양을 줄일 수 있어서 싼 가격으로 대면적의 태양전지 모
듈을 제작할 수 있다. 현재 산업화를 위해 연구되고 있는 박막 태양전지
기술로는 비정질 실리콘(a-Si : H)계 태양전지, CdTe 태양전지, CuInSe2
(CIS) 태양전지 등이 있다. 비정질 실리콘 계 태양전지의 경우 주로 일본
회사들에 의해 연구, 생산되고 있으며 여러 박막 태양전지 기술 중 가장
26 태양광 발전에 관한 기술동향분석
산업화에 성공한 것으로 평가되고 있다.
○ 박막 실리콘 계 태양전지의 변환효율을 높이기 위해서는 바닥(bottom)
Cell 재료의 고품질화가 필요하고 결정 Si(microcrystal)가 각광을 받고
있다. Meier 등은 미결정 Si를 바닥Cell로 사용하여 좋은 결과를 얻었다.
Yamamoto 등은 탠덤형 바닥Cell 연구흐름을 종래의 a-SiGe에서 미결정
Si로 바꾸었다.
○ 미결정 Si는 a-Si(아몰퍼스)상과 다결정 Si를 함유한 재료로 에너지 흡수
스펙트럼으로 조사하면 장파장 영역에서는 단결정 실리콘과 흡수계수가
유사하고 단파장 영역에서는 아몰퍼스 실리콘과 유사하다.
○ 미결정 실리콘 경우 캐리어 확산길이가 결정 실리콘보다 작아 디바이스
구조는 Pin 형을 채용한다. 또 투명 전도막에는 요철화한 SnO2가 사용
되고 P층에는 도전율 1S/Cm 정도의 미결정 Si가 사용된다. 만일 P층에
아몰퍼스 실리콘을 사용하면 성능열화 현상이 나타날 수 있다.
○ 미결정 P층제 막에는 수소가 존재하면 SnO2 표면을 환원시켜 Sn이 유리
되고 심하면 표면이 검게 변할 수 있다. 따라서 수소 농도를 희석시키고
또 수소에 의한 환원작용이 강한 ZnO, TiO2 등을 소량 첨가하여 환원을
방지해야 한다.