태양광 시장 및 태양전지 기술 동향

*자료 : 화학소재정보은행(www.matcenter.org)

*필자 : (주)비제이파워 박준형 수석연구원

Ⅰ. 서론

화석에너지를 지금과 같은 양으로 계속해서 사용한다면 석유는 40년, 천연가스는 63년, 석탄은 119년 후에 고갈될 것으로 추정된다. 또한 주요 산유국의 정치적 문제로 인한 에너지 자원의 공급 불안이 심화되고 있으며, 현재에도 석유와 석탄에너지원은 이산화탄소를 배출하고 있다. 이에 따라 북극 빙하가 2040년 9월까지 모두 녹아 없어진다는 컴퓨터 시뮬레이션 결과(미국 국립대기과학연구소)와 함께 지구온난화에 의해서 금세기 안에 지구상 주요 생물의 30%가 사라질 위기에 처해있다. 이에 따른 경제적 손실이 매년 세계 GDP의 5~20% 수준에 달할 것으로 전망된다.

화석에너지의 대체 에너지원으로 각광받던 원자력 발전 역시 2011년 3월 11일 동일본 대지진(리히터 9.0)으로 원자력 발전소의 방사성 물질 유출로 인한 폐해가 보고되었다. 뿐만 아니라 원자력 발전의 안정성 문제가 부각되고 있으며, 핵폐기물 처리 문제 등으로 지구상의 각국에서는 새로운 원자력 관련 정책의 재검토 및 안전기준 강화를 추진함에 따라 새로운 원자력 발전의 설립을 꺼리고 있는 실정이다.

이러한 상황에서도 생활이 편리해짐에 따라 쾌적한 생활을 즐기려는 욕구가 증대되고 이와 같은 욕구는 (그림 1)에서 보듯이 에너지 소비량의 증가로 나타나고 있으며, 에너지 해외의존도가 97% 이상인 우리나라의 경우 새로운 에너지 자원의 개발이 더욱 시급하다.

<그림1> Domestic Energy Consumption(자료. 에너지경제연구원, 에너지통계연보 2010)

결국 우리가 선택할 방법은 새로운 에너지 자원을 개발하는 것이다. 현재 선택이 가능한 신재생 대체 에너지 자원으로 태양광, 태양열, 바이오메스, 풍력, 조력, 지열, 연료전지, 수소에너지, 폐기물에너지 등이 있다. 그 중 지구의 모든 에너지의 근원인 태양을 이용하는 태양광 발전은 무한한 청정에너지로 각광받고 있다.

120,000TW에 해당하는 막대한 에너지의 태양광이 지표면에 도달하고 있어 10%효율의 태양전지 패널로 육지면적의 0.16%를 덮으면 20TW의 에너지를 얻을 수 있으며, 이는 연간 전 세계 에너지 소모량의 거의 2배에 해당하는 값이다. 2100년까지 모든 에너지 생산량의 70%를 태양광 발전이 차지할 것으로 예상되며, 이를 반영하듯이 지난 10년간 세계 태양광 모듈시장은 연평균 40%씩 급속도로 성장하고 있다.

빛을 흡수해 전기에너지로 변환하는 태양전지는 풍력, 수소연료전지, 조력, 바이오에탄올 등의 신재생에너지 기술 중에서 상품성은 가장 뛰어나지만 발전단가가 가장 높은 것이 단점이다. 태양전지의 효율은 입사한 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 비율로, 현재 기술로는 대부분의 빛 에너지가 전기 에너지보다는 열에너지로 전환되어 소모되기 때문에 효율이 낮다. 태양광 발전단가를 줄여서 기존의 화석에너지를 이용한 발전단가와 같아지는 그리드 패리티(Grid Parity)를 달성하려면 기술혁신을 통한 태양전지 및 모듈의 고효율화와 더불어 소재·장비·부품 생산을 위한 인프라 구축을 통해 안정된 가치사슬(Value Chain) 형성과 생산규모의 대용량화로 제조단가의 저가화가 반드시 이뤄져야 한다.

태양광 모듈 시장의 90%는 효율이 12~14% 정도로 높은 단결정(Single Crystalline) 실리콘이나 다결정(Polycrystalline or Multicrystalline) 실리콘 등의 벌크(Bulk)형 결정질 실리콘 모듈이 차지하고 있으나 원재료인 실리콘 웨이퍼의 전 세계적인 품귀현상으로 인해 제조단가가 비싸다는 점이 성장의 걸림돌이 되고 있다. 그러나 본 보고서에 소개될 이종접합(Heterojunction) 태양전지 모듈의 경우 보다 높은 효율(18% 이상)을 기록함으로써 제조단가를 낮출 수 있다.

Temperature Coefficient of Conversion Efficiency and the Voc and Solar Cells(자료. 2006 IEEE, 1455~1460)

Ⅱ. 태양광 시장 현황

1. 세계 태양광 시장 전망

일본 및 영국 태양광 수요 호조세가 이어지고 있어 전망치가 상향 조정될 가능성이 높으며, 일본 태양광 시장의 2분기 전망치는 11.4GW로 예상됐으나, 설치량이 빠르게 증가해 올해 약 12.6GW가 설치될 것으로 전망된다. 2015년 2분기에 3GW가 설치될 것으로 예상됐던 영국시장 역시 호조세가 이어지면서 하반기 250㎿의 추가 수요가 발생할 것으로 전망됨에 따라 영국 태양광 설치량은 3,250㎿에 달할 전망이다.

세계 태양광 시장 현황 및 전망(자료. NEW Energy Finance)

2. 지역별 태양광 시장

(1) 중국

2015년 1분기까지 중국의 태양광 누적 설치량은 35.8GW이며, 1분기 신규 설치량은 7.7GW였다. 기존 석탄 과다 사용에 따른 환경오염으로 인한 사회적 비용이 눈덩이처럼 커지고 있어, 이를 해결하기 위한 방안으로 태양광 및 풍력발전 등 신재생에너지 보급을 강력하게 확대할 방침이며, 1분기에 이어 2분기 중국 태양광 설치량도 양호할 것으로 예상된다.

중국 태양광 모듈에 대한 미국의 반덤핑 과세가 확정됨에 따라, 미국은 중국 태양전지 기업에 대해 반덤핑 관세를 확정해 2015년 7월 14일부터 시행했으며, 주요 중국 태양광 기업들의 반덤핑 관세율을 살펴보면 Trina 30.61%, Yingli 21.73%, BYD 25.1%, Suntech 54.02%이다. 이 중 전체 매출에서 미국 비중이 43%에 달하는 Trina사의 경우 이번 반덤핑 관세 조치로 인해 미국시장에서 경쟁력이 감소할 것이며, 이에 따라 우리기업들의 경쟁력이 올라갈 전망이다.

한편 중국 태양광 전지 및 모듈 기업들의 2015년 1월부터 5월까지 수출액은 56억 달러를 달성했다. 중국 태양전지 및 모듈 기업들의 최대 수출국은 일본이며, 전체 수출액 중 33%를 차지하고 있다. 그 뒤를 유럽(20.7%), 미국(10.3%), 인도(6.6%), 호주(3.6%) 등이 따르고 있다. 중국 태양전지 및 모듈 수출액 중 10대 기업들의 수출비중이 65%이며, Trina사가 11.9%를 차지해 최대 수출기업임을 알 수 있다.

전력망에 연결된 중국 태양광 설치 현황(자료. NEW Energy Finance)

(2) 일본

2015년 1분기 일본 태양광 설치량은 2.7GW로 전년 동기 대비 17% 증가했으며, 2분기에도 대형 태양광 프로젝트를 완공함에 따라 지난해 일본 태양광 설치량은 사상 최대치를 기록했다. 또한 2015년 1분기에 11.7GW의 신규 발전소 건설이 승인됐으며, FiT이 도입되기도 했다. 이후 승인된 태양광 발전소는 70GW에 달하고 있는 실정이다.

지난 2015년 4월 1일을 기준으로 10㎾ 이상의 태양광 발전소 FiT 지원금액이 JPY 32/㎾h에서 JPY 29/㎾h으로 변경됐으며, 2015년 7월 1일자로 JPY 22/kWh으로 감소됐다. 이에 따라 2015년 일본 태양광 설치량 전망은 기존 10~12.7GW에서 11.8~13.5GW로 상향 조정됐다.

일본 태양광 시장 현황 및 전망(자료. NEW Energy Finance)

(3) 미국

미국 태양광 시장은 2분기까지 2.7GW가 설치되어 전년과 비슷한 수준을 유지할 것으로 예상되며, 상반기 미국 태양광 설치량은 전년과 비슷한 수준이었으나, 수요가 집중되는 하반기에는 설치량이 증가할 것으로 예상된다. 하반기에는 약 5GW 이상의 태양광이 설치되어 총 8GW의 태양광 발전소가 건설될 전망이다.

최근 First Solar사는 100㎿ Playa 태양광 프로젝트에 Nevada Power사와 $38.7/㎿h(연 3% 발전단가 상승 조건)에 계약을 체결했으며, SunPower사는 $46/㎿h에 체결했다.

한편 지난 8월 3일 오바마 행정부는 ‘Clean Power Plan’을 발표함에 따라 실행을 앞두고 있으며, 이 법안의 시행은 2017년 만료되는 ITC 제도에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

미국 태양광 시장 현황(자료. GTM)

(4) 영국

영국 태양광 시장은 2015년 지원제도 변경에 따른 수요 집중으로 3GW이상 설치될 것으로 예상되나, 제도 변경에 따른 2016년 이후 상황은 불투명한 상황이다. 2015년 이후 추가적인 CfD(Contracts for Difference) 배정이 예정되어 있지 않으며, 신재생에너지 의무사용(Renewable Obligation)도 2016년에 만료될 예정이다.

한편 가정용 태양광 시장을 활성화시킬 것으로 예상되었던 소규모 발전 차액 지원 제도(Small Scale Feed-intariff)는 점점 축소될 가능성이 높아져 발전사업자들의 위험부담이 커지고 있다. 2015년 기점으로 2016년 이후 영국 태양광 시장의 설치량은 감소할 가능성이 높아지고 있다.

영국 태양광 시장 현황 및 전망(자료. NEW Energy Finance)

(5) 인도

2015년 인도 태양광 시장은 2GW를 넘어섰으며, 2016년에는 3GW를 넘어설 전망이다. 인도 정부는 2022년까지 100GW 규모의 태양광 발전소 건설을 목표로 정책을 추진하고 있으며, 최근 Solar Mission 프로그램을 통해 3GW 규모의 태양광 경매를 실시할 예정이다.

한편, Tamil Nadu는 2016년 3월 $0.11/㎾h 발전차액지원제도를 신설했으며, 이를 통해 1GW 이상의 태양광 발전소가 건설될 것으로 기대된다.

인도 태양광 시장 현황 및 전망(자료. NEW Energy Finance)

3. 태양전지 시장 상황

2015년 9월 기준 실리콘 태양전지 가격은 단결정 태양전지 $0.39/W, 다결정 태양전지 $0.32/W를 기록 중이며, 중대형 태양광 발전소 건설이 늘어나면서 중대형 발전소에 주로 사용되는 다결정 태양전지 가격이 강세를 시현하고 있다.

가정용 태양광 발전에 사용되는 단결정 태양전지 가격은 약세를 지속하고 있으며, 전달 대비 1.5% 하락했다. 폴리실리콘 가격 대비 태양전지 가격은 큰 변동이 없는 상황으로, 하반기에도 현 가격 수준을 유지할 것으로 예상된다.

중국 태양전지 기업들은 미국의 반덤핑 과세를 피하기 위한 생산기지를 다양화하고 있으며, 높은 대 미국 수출 비중으로 인해 30%의 반덤핑 과세를 부과 받은 Trina사는 약 2GW 태양전지 생산라인을 인도에 건설해 반덤핑 문제를 피해가려 하고 있다. 반덤핑 문제를 대만산 태양전지 사용을 통해 해결하려고 했던 중국 모듈 기업들은 대만산 태양전지에 대해서도 반덤핑 과세가 부과됨에 따라 대만산 태양전지 사용이 크게 줄어들 것으로 예상된다.

2015년 주요 태양광 모듈 기업들의 생산 전망(단위 : ㎿)(자료. New Energy Finance)

4. 태양광 모듈

2015년 9월 기준 단결정 실리콘 모듈 $0.80/W, 다결정 실리콘 모듈 $0.72/W로 전월 대비 보합세를 보이고 있으며, 실제 중국 대형 모듈기업들의 중국 내 대형 태양광 프로젝트 개발자에게 제시하는 판매 단가는 $0.51/W이고, 미국의 경우 관세문제로 인해 $0.65/W에서 거래되고 있다. 모듈 가격은 공급과잉 상황에도 안정적인 흐름을 보이고 있다.

태양광 모듈 가격을 더 낮추기 위해서는 폴리실리콘, 웨이퍼 및 태양전지 등 부품 가격 하락이 이뤄져야 가능하며, 태양광산업 밸류 체인 중에서 가장 안정적인 가격흐름을 보이는 이유는 모듈 분야에서는 추가적인 원가절감이 쉽지 않기 때문이다. 모듈 수요 증가에 따라 중국 태양광 기업들의 공장가동률은 100% 가동되고 있는 것으로 추정되고 있으며, 중국 태양광 기업들의 선적량/생산용량이 상반기 80%에 불과했으나, 6월 이후 90%를 넘어서고 있다. 태양광 모듈 증가에 따라 공장가동률도 올라가고 있으며, 4분기로 갈수록 태양광 모듈 부족 현상이 발생할 가능성이 있을 정도로 수요는 양호한 상황이다.

Canadian Solar 및 Trina사는 2015년 1분기 1GW의 선적량을 기록하고 있으며, 2015년 1분기 모듈 기업들의 선적량은 전분기 대비 감소했음에도 불구하고 Canadian Solar 및 Trina사는 양호한 실적을 기록하고 있다. 이에 따라 2015년 4GW 선적량을 기록하는 태양광 기업이 탄생됐다.

매년 1GW 이상의 설비증설이 이뤄지면서, 2012년 1GW를 생산하는 기업이 나온 이후 3년 만에 4GW를 돌파했다. 이처럼 모듈시장 점유율 확대를 위한 기업 간 경쟁이 더욱더 치열해지고 있는 상황이다.

중국은 자국 기업들의 품질 기준을 높이기 위한 조치로 태양광 발전소 건설시 태양광 모듈 효율에 대한 가이드라인을 제정했으며, 저품질 모듈의 범람을 막고 구조조정을 활성화하기 위해 중국 정부는 PV Manufacturing Standard를 제정했다. 또한 제품 품질을 더욱더 강화하기 위해 2015년 Pioneer Standard를 추가 제정한 바 있다.

2015년 Pioneer Standard에 따르면, 중국 내 태양광 발전소 건설 시 사용되는 모듈효율은 다결정 실리콘 모듈 16.5%, 단결정 실리콘 모듈 17%를 충족해야 한다. 이에 2015년에 1GW 규모로 시범사업을 수행해왔으며, 2016년에는 2~3GW로 확대할 예정이다.

중국 태양광 모듈 효율 기준 다결정 모듈 VS 단결정 모듈(자료. New Energy Finance)

5. 2015년 2분기 주요 태양광 기업들의 실적 동향

2015년 2분기 일부 태양광 기업들의 실적은 전분기 대비 개선됐으며, 태양광 기업들의 실적은 하반기에 더욱더 개선될 전망이다. 2015년 1분기 적자로 돌아섰던 First Solar사는 2분기 57백만 달러 흑자로 전환됐으며, Trina사도 전분기 대비 107% 증가세를 기록하고 있다.

한화 Q-Cell사도 2분기 흑자 전환을 이루었으며, 하반기에도 실적 개선이 이어졌다. 이에 따라 합병 및 신규 투자에 따른 규모의 경제 확보로 가격경쟁력이 높아질 전망이며, Yingli사는 17분기 연속 적자로 인해 재무구조가 취약해지고 있어 구조조정이 필요한 상태이다. 적자가 누적됨에 따라 Yingli 발 2차 구조조정이 이루어질 가능성이 높아지고 있는 상황이다.

태양전지 변환 효율(참조. NREL solar cell efficiency table)

6. 태양광 시장 전망

2015년 하반기 세계 태양광 수요가 양호했던 만큼, 일본 및 영국 태양광 시장이 긍정적인 가운데 세계 태양광 수요의 약 45%를 차지하는 중국 및 미국 수요 또한 2016년까지 지속되고 있다.

한편 상반기에 이어 폴리실리콘 가격 하락세가 이어지고 있으며, 하반기 가격 상승도 불투명하다. 또한 연초 대비 20% 이상 하락한 폴리실리콘 가격은 하반기 반등할 것으로 예상되었으나, 수급 불균형으로 인한 가격 하락세가 이어지고 있어 반등이 쉽지 않은 상황이다. 미국과의 반덤핑 문제로 우리 기업들의 가격경쟁력은 상반기 대비 올라갈 것으로 예상되며, 반덤핑 과세가 확정됨에 따라 미국시장에서 중국산 제품 가격이 상승할 것으로 보이고, 미국시장에서의 우리 기업 제품들의 경쟁력은 올라갈 것으로 예상된다.

태양광 기업들의 수익성 개선이 이어질 것으로 보이며, 우리 기업들도 상반기 대비 양호한 실적을 기록할 것으로 예상된다. 세계 태양광 수요 증가로 관련 기업들의 매출 및 이익에 긍정적인 영향을 미치고 있다. 2016년 올해까지 세계 태양광 수요는 양호할 것으로 예상됨에 따라 태양전지 및 모듈 기업을 중심으로 실적 개선이 이어질 전망이다.

Ⅲ. 결정계 실리콘 태양전지 기술현황

단결정 실리콘 태양전지에서 집광장치를 사용하지 않은 경우 최고 변환 효율은 일본의 Panasonic에서 발표한 25.6%이다.

결정질 실리콘 태양전지는 스크린 프린팅 법에 의한 전극을 갖는 구조로써 단결정 태양전지 변환 효율은 18~21%, 다결정 태양전지 변환 효율은 16~18% 수준이고, 지속적인 연구개발로 인하여 효율 개선이 진행 중에 있다.

1990년대 초반에 미국의 Sunpower사는 전면에 위치한 전극을 후면에 형성한 후면 전극 IBC(Interdigitate Back Contact) 태양전지를 개발해 현재 25.2%의 태양전지 효율을 발표했다.

일본의 Panasonic사는 결정질 실리콘 기판에 Intrinsic 비정질 실리콘을 PECVD 방식으로 성막해 21%대의 HIT(Hetero-junction Thin film) 태양전지를 개발하여 상용화했다.

결정질 실리콘 태양전지의 최고 수준 광전환 효율은 호주의 New South Wales 대학에서 개발한 PERL(Passivated Emitter Rear locally Diffused) 태양전지로 광변환 효율 24.7% 기록을 달성했다. 그러나 PERL 태양전지는 공정수가 일반적인 태양전지에 비해서 3배 가까이 많고 반도체 Chip 제조공정인 Photolithography, 스퍼터링 공정 등 고가의 공정과 생산성의 문제로 인하여 상용화에는 성공하지 못하고 있다.

중국 최대 태양전지 회사인 썬텍은 요철화를 개선함에 따라 반사도를 감소시키고, 태양전지 표면의 인쇄 시 Thinner Metal Line를 적용해 18.8%의 고효율 단결정 실리콘 태양전지 개발에 성공하기도 했다.

태양전지 연구는 3개의 범주로 진행되고 있다. 첫 번째는 소면적 연구용, 두 번째는 준양산 및 신기술 접목, 세 번째는 양산용 대면적 대응 기술이다.

지난 20년 동안 미국 에너지부 DOE 지원의 NREL 프로그램, EU 지원 Joule 프로그램 및 현재의 Framework 그리고 일본의 NEDO 지원의 Sunshine 프로그램을 통해, casting 공정과 장비가 Solarex의 4개 설비공장에서 9개로 증설되었다. 이러한 기판 수급 개선 및 품질 개선의 노력으로 1980년 양산용 태양전지의 효율 8%에서 1990년대에는 고품질의 기판으로 12% 변환 효율 개선을 얻었고, 추가로 BSF와 SiN의 패시베이션 기술 개발을 접목함에 따라 현재 18% 이상의 양산용 태양전지에 이르게 되었다.

80년대에는 대면적을 자를 수 없었으나 1995년부터 15X15㎝ 크기의 산업용 태양전지를 위한 웨이퍼 절단 기술이 발전되어 현재 21㎝ 크기까지 발전했다. 특히 Shaping Systems, Meyer Berger, HCT(AM), M.Setek와 같은 회사에 의해 웨이퍼 절단 기술이 크게 향상되었다.

연구용 태양전지 개발에 있어서는 Gettering과 결함 패시베이션을 통한 효율 향상이 진행되었으며, 1989년에는 UNSW에서 17.8%의 다결정 실리콘 태양전지를 처음으로 개발해 다결정 실리콘 태양전지 양산 효율 개선의 기초 기술을 제공했다.

GIT(Georgia Institute of Technology)는 Photolithography, 전극 Evaporation과 Forminggas 열처리를 이용해 다결정 태양전지를 제작하였고, UNSW는 Photolithography와 Evaporation 및 벌집 모양의 요철화를 이용한 PERL 구조의 19.8% 다결정 태양전지를 개발했지만 연구용 태양전지 기술은 추가 공정 및 공정 단가의 상승으로 대면적 양산 기술에 접목하기 어렵다는 문제를 가지고 있다.

Ⅳ. 이종접합 태양전지

1. 기술 현황

HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin-layer) 태양전지는 단결정 실리콘 기판에 ∂-Si:H을 성장하는 이종접합 구조인 태양전지로 양산기준 19.5%의 효율을 달성하였으며, 실험실 수준에서는 23% 내외의 효율을 달성했다. Panasonic의 HIT 태양전지는 n-type 단결정 실리콘 기판에 ∂-Si:H 층과 투명 전도막으로 형성된다.

Panasonic의 경우 1990년경 HIT 태양전지에 대한 연구를 본격적으로 시작했다. 초기에 가장 간단한 구조에서 p형 비정질 실리콘의 두께 최적화를 통하여 12.3%의 변환효율을 달성했다. 이러한 구조에서 p형 비정질 실리콘의 두께는 개방전압에는 영향을 미치지 않고 단락전류에 영향을 미친다고 보고했다. 즉, p형 비정질 실리콘의 두께가 감소할수록 단파장영역에서의 수집 효율이 증가함으로써 변환 효율이 증가했다. 이후 접합 특성을 개선하기 위해 n형 단결정 실리콘 웨이퍼와 p형 비정질 실리콘 사이에 40Å 두께의 얇은 진성의 비정질 실리콘 층을 삽입해 HIT 구조에 대한 연구 결과와 함께 14.8%의 효율을 달성했다.

한편 삽입된 진성의 비정질 실리콘 반도체 층의 두께가 증가할수록 단락전류는 감소한다고 보고했다.

고효율을 획득하기 위해 웨이퍼 표면 요철화, 후면 전계(BSF) 효과 및 비정질 실리콘 박막 증착 조건의 최적화를 통해 1~2㎝에서 18.1%의 변환효율을 달성하게 된다. 텍스처 웨이퍼 사용 시, 균일한 비정질 실리콘 박막의 증착을 위해 증착 속도 감소 및 실란 gas dilution을 최적화했으며 비정질 실리콘 증착 전 수소 플라즈마 처리가 깨끗한 웨이퍼 표면을 획득하는 데에 효과적이라 보고하게 된다.

텍스쳐된 웨이퍼를 사용한 결과 단락전류가 20% 향상되었다. 이후 1994년에 양면을 HIT 구조화하고, 고 반사금속을 후면 전극에 적용함으로써 공정 조건을 최적화하여 1㎠ 크기의 태양전지에서 20.0%의 효율을 달성했다. 2004년에는 새로운 전도성 Paste 재료, 미세패턴과 High Aspect Ratio 프린팅 기술 적용을 통해 곡선인자 및 단락전류를 증가시켜 100㎠ 크기의 태양전지에서 21.5%의 고효율을 달성했다.

2006년에는 100㎠ 크기의 태양전지에서 21.8%의 효율을 달성했으며 이러한 효율은 Surface Cleaning 공정 최적화와 고품질, Low-damage 비정질 실리콘 증착 기술을 통해서 최적의 이종접합 계면 특성을 획득함으로써 실현되었다. 고품질의 HIT 태양전지는 낮은 결함 밀도를 가지는 비정질 실리콘 증착 시 낮은 플라즈마에 의한 결함 밀도 최소화가 고효율 HIT 태양전지 핵심기술이라고 보고했다. 2010년에는 100㎠ 크기의 상용 태양전지 크기에서 23.0%의 효율을 달성했다.

이러한 효율의 증가는 새로운 세정 공정과 플라즈마에 의한 열적 손상이 적은 비정질 실리콘 공정을 더욱 발전시키고 장파장영역에서 광 흡수율을 감소시킨 TCO 적용 및 더 미세한 전극 적용을 통하여 단락전류를 증가시킴으로써 가능했다

한편 Panasonic의 HIT 태양전지 고효율 달성을 위한 핵심 기술은 아래와 같다.

첫째, 새로운 계면 Passivation 공정을 통하여 운송자 수명과 개방전압을 70㎷ 이상으로 증가시켜 이종접합 특성을 개선했다. 둘째, Random Texture를 통해 단파장 영역의 광 흡수효율을 향상시켰다. 셋째, 미세한 전극 형성을 통하여 광 흡수 유효면적을 증가시켰다.

Panasonic HIT solar cell structure and loss(자료. SANYO Electric Co., Ltd. 2010)

2. 일반적인 이종접합 태양전지 공정

이종접합 태양전지의 일반적인 공정은 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼의 세정, 실리콘 웨이퍼의 요철화, 비정질 실리콘 박막의 증착, 투명전도막 및 전극형성으로 나누어 볼 수 있다.

3. 실리콘 웨이퍼 요철화(Texturer)

실리콘 기판을 표면식각하면 표면에 피라미드 구조가 형성되는데 이때 피라미드 형성각도가 빛의 진행 방향에 중요한 역할을 수행한다. 피라미드 구조물의 각도가 클수록 반사회수가 증가하며 그만큼 광 생성된 전류를 증가시키게 된다. 표면 식각에 의한 빛 수집의 목적은 전면에서의 반사율을 감소시키고 태양 전지 내에서 빛의 통과 길이를 길게 해 후면으로부터의 내부 반사를 이용하여 흡수된 빛의 양을 증가시키는 것이다. 따라서 태양전지의 단락 전류를 향상시킬 수 있다.

처리된 실리콘 표면은 태양빛의 약 30% 정도를 반사하는데 이때 표면을 요철화하게 되면 반사가 약 10% 정도로 감소하고, 여기에 반사방지막까지 추가할 경우 반사율을 약 3%까지 감소시킬 수 있다. 일반적으로 요철화 공정을 진행할 경우 피라미드 구조가 형성되며, 형성각도 30도에서는 V자형 홈 하단부에서만 빛이 2회 반사되는 경로를 가진다.

45도에서는 모든 입사광이 2회 반사되는 경로를 가지며 60도에서는 모든 입사광이 3회 반사되는 경로를 가진다. 따라서 피라미드 구조물의 각도가 클수록 반사회수가 증가하며 그만큼 광 생성된 전류가 증가하게 된다. 보통 식각액으로 Alkali Hydroxide Etchant를 사용하는데 NaOH나 KOH가 이에 해당되며, 이방성 식각력이 더 뛰어난 KOH를 주로 사용한다. KOH의 경우 20% 이하의 농도에서는 용해되지 않은 Precipitate를 형성시키므로 40~50%의 농도가 적당하다.

Key technologies for high efficiency(자료. SANYO Electric Co., Ltd. 2010)

4. 비정질 실리콘 증착(?-Si:H deposition)

현재 양산되고 있는 고효율 태양전지에는 Panasonic의 HIT 태양전지와 미국 Sunpower의 IBC 태양전지가 대표적이다. Panasonic의 HIT 태양전지는 19% 이상의 태양전지를 양산 중에 있으며, 간단한 구조, 단순한 저온 제조 공정, 높은 고온 안정성 등의 장점을 가지고 있기 때문에 큰 관심을 받고 있다. Panasonic의 HIT 태양전지는 n형 단결정 실리콘 웨이퍼 위에 직접 ∂-Si:H을 증착하는 실리콘 이종접합 태양전지이다. 실리콘 이종접합 태양전지 제조 공정에서 ∂-Si:H의 형성은 매우 중요한 요소로 작용된다.

현재 이종접합 태양전지에서 ∂-Si:H 형성 공정은 낮은 온도(~220℃)에서 이루어지므로 bowing 및 결함 형성이 억제되며 상대적으로 낮은 등급의 다양한 웨이퍼를 사용할 수 있다는 장점이 존재한다.

현재 ∂-Si:H Deposition 공정은 PECVD를 활용하여 진행이 되어지고 있으며, ∂-Si:H의 형성은 매우 중요하다. 이는 Surface Passivation이 적절치 못할 경우, 표면 결함 밀도가 증가하여 누설 전류가 증가하고 개방전압(Voc), 전류밀도(Jsc), 곡선인자(FF)의 감소를 초래하게 되어 결과적으로 태양전지 특성을 저하시킨다.

Surface Passivation은 결정계 태양전지에서도 일반적으로 사용되지만 일반 결정계 태양전지 제조 공정에서는 SiNx와 SiOx를 이용하여 계면을 Passivation하는데 현재까지 연구되어 보고된 가장 좋은 Surface Passivation layer는 i-∂-Si:H로 알려져 있다. 이는 실제 ∂-Si:H로 Surface Passivation된 제품인 HIT 태양전지가 가장 높은 광변환 효율을 나타내고 있다는 사실과 일치한다. 따라서 ∂-Si:H의 Deposition 기술은 이종접합 태양전지의 고효율화 핵심 기술이라 할 수 있다.

이종접합 태양전지가 일반적인 결정계 태양전지와 비교하여 높은 광변환효율을 나타내는 가장 큰 이유는 n형 실리콘 웨이퍼와 도핑된 비정질 실리콘층 사이에 존재하는 i-∂-Si:H층 때문이다. i-∂-Si:H는 실리콘 웨이퍼와 p-∂-Si:H 사이에서 Passivation 역할을 수행하여 계면의 결함 및 에너지 밴드 갭의 불연속성을 감소시킨다. 이 때문에 태양전지 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 것이다.

이종접합 태양전지의 경우 i-∂-Si:H의 Surface Passivation은 이종접합 태양전지 공정 중 가장 중요한 공정이라 할 수 있다.

Panasonic HIT solar cells and thin-film solar cell manufacturing process(자료. SANYO Electric Co., Ltd. 2010)

Ⅴ. 향후 기술 전망

최근까지 태양전지 기술개발은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지 개발 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지를 개발하는 방향으로 진행되어 왔다. 태양전지의 발전 단가를 낮추기 위해 저가 대량 생산이 가능한 다양한 물질과 공정이 개발되었지만, 변환 효율이 낮아 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 또한 변환 효율이 높은 물질을 찾기 위해 다양한 시도가 이루어졌으며, 현재는 물질 합성과 적층 구조 등을 이용하여 광흡수 대역을 넓혀 변환 효율을 높이는 데 주력하고 있다.

현재 전 세계 태양전지 생산량의 약 82%가 결정질 실리콘 태양전지이며, 일반적으로 산업화된 screen printed 태양전지와 더불어 지속적인 고효율 셀 구조 개발이 지속되고 있다.

태양전지 연구개발은 미국, 유럽, 일본 및 호주에서 활발하게 진행되고 있으며, 공통적으로 국가적 차원에서 주도되고 있다.

미국은 주로 NREL, SNL 등과 같은 국립 연구소를 중심으로 기초에서부터 제품까지 다양하게 연구를 진행하고 있으며, Sunpower, Spectorlab 등 기업에서 다양한 태양전지 제품을 생산 판매하고 있다.

유럽의 경우 독일의 프라운호퍼 태양전지 시스템 연구소, Simens, ECN, Shell Solar, BP Solar, EPFL 등 대부분의 국가가 정부 주도 하에 산학연으로 기초 응용 제품 연구를 수행하고 있다.

일본은 국립연구소 및 대학뿐만 아니라 Kyocera, Panasonic, Sharp, Toshiba 등 대기업들이 기술 개발을 진행하고 있다.

기존 HIT, IBC 태양전지 구조를 대체하기 위한 다각도의 노력이 진행 중이며, 향후 5년이내에 고효율 결정질 실리콘 태양전지의 점유율이 크게 상승할 것으로 전망된다. 따라서 핵심 기술에 대한 선점이 시급하다고 할 수 있다.

또한 결정질 실리콘 태양전지는 박형 기판을 사용해 고효율의 태양전지와 모듈을 저가로 생산할 수 있는 기술 개발이 향후 기술 발전의 중심이 될 것이고 기술 개발 목표의 달성 시기는 기존 계획 대비 수년 앞서야 될 것으로 예상된다.

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 태양광 시장 및 태양전지 기술 동향