플렉시블 실리콘 태양전지의 개발

세상이 발전하면서
어느새 가방에도 태양전지가 달리는 시대가 되었죠?
그래서 !!
플렉서블해진 태양전지에 대해서
다루어 볼까해요 ~!!
이번에는 제일발전된 실리콘계열의 태양전지의 배경을,
 다음엔, 적용된 산업체를 살펴보아요^*^

 

 

<사진출처 : ebuzz>


1. 왜 Flexible화가 시작 되었을까?

 태양전지의 역사는 1839년 E.Becuerel(프랑스)가 광전효과(Photovoltaic Effect)를 발견함으로써 시작되었습니다. 1940년대에는 고순도 단결정 실리콘(Si)의 제조법인 Czochralski Process가 개발 되면서 실질적인 태양전지의 개발이 시작되었고, 현재에 이르러서는 광변환효율이 45%(GaAs계열 태양전지)에 육박하는 태양전지가 개발되고 있습니다.
 개발이 계속됨에 따라서, 태양전지를 다양한 곳에 적용할 필요성이 생겼지만, 태양전지는 여전히 딱딱하여 적용의 한계가 있었습니다. 이에 따라, 연구자들은 플렉서블한 태양전지 개발을 시작하였고, 현재는 실용화 단계에 이르게 되었습니다.

 

그렇다면 flexible화에는 어떤 이점들이 있을까요 ?  

대표적으로 세가지 장점이 있습니다. 먼저 적용 범위가 넓어진다는 점이 있습니다. 태양전지가 플렉서블해 진다면 지붕과 땅위에 설치하는 것 이외에 위 그림처럼 둘둘말아서 들고 다닐 수도 있고, 그이외의 다양한 곳에 적용 할 수 잇게 됩니다. 즉, 태양전지의 활용범위를 늘려주게 되는 것이지요. 그리고 가격을 낮출 수 잇다는 점 입니다. 오늘 다루겠지만, 플렉서블화를 위해선 태양전지의 박막화와, 기존 태양전지 기판이 변경이 필요합니다. 박막화는 재료의 사용량을 줄이고, 기판은 플라스틱과 메탈로 바뀜으로써 기존 두꺼운 유리에 비해 저가화가 가능 해 집니다. 마지막으로 Roll to Roll 공정이 가능해 지 는데, 이는 위의 그림처럼 태양전지를 종이처럼 둘둘말아놓은 후 그것을 풀어 냄과 동시에 그위에 바로 증착공정이 가능해지게 합니다. 따라서 Roll to Roll 공정은 만드는 과정을 단순화 시켜 줍니다.        

2.플렉서블 실리콘 태양전지를 위한 개발

 

 

모든 플렉서블화를 위해 필요한 박막화 

박막화 하기 전 벌크계열의 실리콘 태양전지는 플렉서블화 하기에는 너무 두껍고, 딱딱하였습니다. 구부린다고 하더라도 제 기능을 못하였죠. 플렉서블화 하기 위해선 박막화는 필수조건인데, 여기서 플렉서블화에 왜 박막화가 필요한지 알아보도록 하겠습니다!

 앞의 그림은 기존의 벌크계열의 두꺼운 태양전지를 보여주는 것 이고, 두 번째 그림은 박막계열의 태양전지를 보여주는 것입니다. 남색의 동그라미는 결정내의 원자의 부분이고, 하늘색 부분은 그 원자의 결합을 나타냅니다. 
 그림과 같이 벌크계열의 두꺼운 층은 휨이 발생할 때 휘는 방향의 바깥쪽 면이 많이 늘어나 결정 구조가 그 힘을 버티지 못하고 결함이 생기게 됩니다. 그에 비해 오른쪽의 박막 태양전지는 바깥 쪽의 늘어나는 정도가 작아서 원자간 힘이 견딜 수 있어 결함이 생기지 않습니다. 결함이 생기면 태양전지는 제 기능을 할 수 없게 되기 때문에, 두꺼운 벌크계열의 태양전지는 플렉서블 할 수 없는 것입니다. 따라서 플렉서블 하기 위해서는 박막화가 필수 요소 입니다.

플렉서블 실리콘 태양전지의 경우?

플렉서블 실리콘 태양전지는 기존에 개발 중이던 벌크계열의 태양전지의 원리를 확장하여 개발되었습니다. 실제 사용 구조를 말하기 시작하기 앞서서, 태양전지에 사용하는 실리콘의 종류에 대해서 알려드리겠습니다.

 

 

 실리콘은 크게 Bulk형과, 박막형 두 가지의 용도로 쓰입니다. Bulk형은 말 그대로 두꺼운 실리콘 태양전지 인데요, 일반적으로 200um의 두께를 가지고 있습니다. 주로 단결정, 다결정의 실리콘이 쓰입니다. 현재 세계에서 가장 높은 효율이 나오는 태양전지가 실리콘 단결정 태양전지 인데, 최대 25%(이론적으로 35%까지 가능)까지의 효율이 나옵니다. 이때 단결정이란, 거의 이상적이고 규칙적인 결정구조를 나타내는 결정이고, 다결정은 단결정의 규칙적인 결정이 여러 개 모여있는 구조입니다. 그에 비해 박막형는 1um의 두께 를 가지고 있으며 단결정을 제외한 다결정과 비정질/ 미세결정질을 사용합니다. 여기서 비정질/미세결정질은 규칙성이 전혀 없는 구조를 말합니다. 상대적으로 단결정/다결정에 비해 낮은 효율을 가집니다.

 

<사진출처 : 한국산업기술대학>
 

일반적으로 단결정에 가까울 수록 전류를 생성하는 전자와 정공의 이동에 유리하여 더 높은 효율나옵니다. 반면, 다결정, 비정질로 갈수록 더 낮은 효율이 나옵니다. 그렇다면 박막형에는 단결정/다결정 실리콘을 사용하지 않는 것일까요? 위에서도 언급했듯이 구부리게 되면 늘어난 부분에 충격을 가하게 되는데요, 이때 단결정/다결정의 경우에는 규칙성이 뛰어나 조그마한 충격에 결합이 깨지면서 태양전지로써의 기능을 상실 합니다. 반면에 규칙성이 전혀 없는 비정질은 충격에도 제 기능을 유지할 수 있답니다. 그렇지만 여전히 단결정/다결정이 더 좋은 효율을 낸다는 것은 사실 입니다. 따라서 연구자들은 결정질을 조금씩 함유하는 방법을 생각하여 비정질과 다결정의 중간체를 만들어 사용합니다. 이 기술은 주로 실리콘 결정 생성 중 수소의 양을 조절하여 만들 수 있고, 가장 적합한 구조를 proto 타입이라고 합니다. 실질적인 사용에는 비정질(amorphous)과  마이크로(micro) 구조가 이용됩니다. 

 

이러한 실리콘 제조의 발전과 함께 태양전지의 다양한 구조들이 개발되어 왔습니다. 앞서 언급했듯이 플렉서블 실리콘태양전지는 벌크게열 단결정/다결정 태양전지의 원리를 기반으로 하여 개발 되었습니다. 단결정/다결정 실리콘 태양전지는 p-n junction을 이용하였는데, 박막계열은 p-i-n junction을 사용하고 있습니다. (여기서 i란 아무런 도핑을 하지 않은 순순한 상태의 실리콘을 의미합니다.) p-n juction 에서는 접합부위에서만 전기장 생기는데 p-i-n junction을 이용하여서 p-i , i-n 접합부위 두 곳에서 전기장을 형성 (p-i, i-n 접합부위에서) 함으로써 비정질에서는 쉽게 없어지거나 이동하기 힘든 전자와 정공의 수명을 길게 해줍니다. 

 

<사진출처 :Flexible실리콘박막태양전지상용화요소기술개발, 한국에너지기술연구원 >

 

 

 위의 p-i-n junction을 기반으로 여러 세대에 걸쳐 플렉서블 실리콘 태양전지가 개발 되었습니다. 아래 그림에서는 플렉시블 실리콘에서의 구조를 세대별로 보여주고 있습니다.  그림에서 a- Si:H는 비정질 실리콘을 uc-Si:H는 마이크로 결정 실리콘을, a-SiGe:H는 비정질 실리콘에 Ge를 첨가한 것입니다.
 

 <사진출처 : 한국산업기술대학>

 첫번째 1세대는 한 개의 흡수층을 가지고 있는 구조로써 단일 접합구조(Single Junction)라고 하며 비정질이나 마이크로 실리콘 중 하나를 택하여 사용합니다. 효율은 6~7%로 낮지만, 단순하고 제조원가가 매우 싸다는 장점이 있습니다. 
 두번째 2세대는 비정질과 마이크로 두개의 흡수층을 갖는 이중접합(Tandem Cell or Double Junction Cell) 구조를 가지고 있습니다. 효율은 9~11% 대로 상대적으로 높은 효율을 보여주지만, 1세대보다 생산과정이 훨씬 복잡한데 비해서 효율이 그만큼 나오지 않습니다. 연구자들은 생산과정의 복잡성을 해결하여 고효율화 고생산화가 가능할 것이라고 생각하여 크게 각광받고 있습니다.

 3세대형은 비정밀 실리콘, 비정질 실리콘 게르마늄(a-SiGe:H), 및 마이크로 결정 실리콘 박막을 광흡수층으로 사용하는 삼중접합(Triple Junction Cell) 구조를 가지고 있습니다. 이러한 구조는 작은 cell 에서는 15% 이상의 높은 효율을 달성하였으나, 대면 사용 면적 제품에서는 아직 12%대 이상의 높은 효율을 보여주지 못하고 있습니다. 제조원가 측면에서 보면 비정질 실리콘 게르마늄 공정에 의한 추가적인 설비가 요구되지만 효율을 높여 보상할 수 있을 것이라 예상됩니다. 

 2~3세대는 다층구조로 이루어 지면서 상층부는 저파장의 고에너지 빛을 흡수하며, 하층부에서는 고파장 저에너지의 빛을 흡수하여, 여러 범위의 빛을 흡수하여 효율을 높게 합니다.
 4세대는 1~3세대의 단점을 보완하며 개발 중에 있습니다. 대표적으로 3세대의 게르마늄화 공정의 비용과, GeH4의 사용에 의한 독성을 보완하기 위해 마이크로 결정 실리콘과 비정질 실리콘을 사용하여 이중접합(double junction)구조로 개발 중입니다. 아직 연구 중에 있지만 높은 효율과 단순한 제조공정을 기대하고 있습니다.  

 

 

기판이변해야 플렉서블하다 !

 

  태양전지를 제작할때 맨 아랫쪽에 지지대 역할을 하는 기판이 존재합니다. 이런 기판이 존재해야 그 위에 다른 층을 쌓아갑니다. 기존의 태양전지의 경우 기판을 유리를 사용하는데, 플렉서블 태양전지에 그 유리 기판을 계속 사용한다면 박막화가 이루어 진다고 하더라도 플렉시블 할 수 없습니다. 따라서 두껍지 않고, 플렉서블한 기판은 역시 박막화와 함께 필요한 조건입니다. 플렉서블 기판에는 크게 세 종류로 박형유리, 메탈호일, 플라스틱으로 나뉩니다. 
 먼저 박형 유리에 대해서 살펴 보면 가장 저렴하고 투명하며, 표면이 균일하고, 수분과 산소에 대해 반응하지 않아 제작과정에 기판은 보호하는 별도의 과정이 필요 없습니다. 따라서 원가도 절감할 수 있습니다. 하지만 내충격성이 취약하고, 구부러지는 정도의 한계가 있고, 공정성과 취급성에 많은 문제점이 있습니다.
 두번째로는 메탈 호일이 잇습니다. 표면의 평평한 정도가 대부분의 플라스틱, 유리에 비해 떨어지고 작은 휨에도 기판에 주름이 생기기 쉽다는 단점이 있습니다. 
  세번째로는 플라스틱이 있습니다. 앞선 두 기판 소재에 비해 무게가 가볍고 가공이 용이해 형태의 제약이 거의 없다는 점과 산업적으로 저가격화 실현을 위한 roll to roll 공법에 가장 적합한 소재라는 점이 있습니다. 플라스틱은 다양한 종류로 개발이 이루어져, 플라스틱 별로 장단점을 고려하여 태양전지 공정의 종류에 따라 다양하게 사용 할 수 있습니다.

 

이렇게 실리콘과 기판의 연구를 통해서 태양전지는 플렉서블화에 성공을 이루고 있습니다.
최근 연구의 개발이 계속되어서
현재에는 플렉서블이외의 접히는 것도 가능해 지고 있고, 기존 공정 방식이 저가화 되면서 다양한 방법이 개발되고 있습니다.
다음 시간에는 실질적으로 산업체에서 개발하고 있는 것들을 살펴 보도록 하겠습니다!
다음시간 많이 기대해주세요 ~ ^*^  

 



 <사진출처 : etnews.com>

출처

thin film Si PV - 한국산업기술대학 신소재공학과
태양전지 개발 동향 및 이슈 - 삼성전자 김병준
결정질 실리콘 태양전지 - 이준성 박사
Flexible실리콘박막태양전지상용화요소기술개발 - 이정철, 윤경훈, 김태원, 부성재

 

S.F 오윤정 (britney_oyj@naver.com)