일반기술

박막 태양전지용 나노 기술

[기술개요]태양전지용 CIGS 나노 분말 합성 : CIGS(CuInGaSe2)계 태양전지의 광흡수층은 동시증착(co-evaporation), 스퍼터링 등 진공기술을 이용한 물리증착방식으로 제조된다. 태양전지의 대면적 생산이 어렵고 제조 단가가 높아 가격 경쟁력 감소 요인이다. 나노입자를 합성하여 스프레이, 스크린 프린팅, 잉크젯 프린팅, 닥터블레이드, 스핀 캐스팅 등의 방법으로 기판에 증착한 후 열처리를 통하여 태양전지의 광흡수층을 제조하는 나노분말 공정법에 대한 연구를 진행하였다. 나노분말공정법으로 태양전지의 광흡수층을 제조하기 위해서는 먼저 해당 원소들을 포함하는 나노 입자 전구체의 합성이 선행 되어야 한다. 나노분말 합성법은 Cu, In, Ga 금속을 포함하는 산화물 나노 입자를 이용하여 태양전지의 광흡수층을 제조하는데 산화물 전구체에서 산소를 제거한 후 다시 Se을 공급하는 추가공정이 필요하다는 단점이 있다. 산화물 전구체가 아닌 CIGS계 나노입자를 합성하는 방법도 보고되었는데 고온-고압 액상 반응에 의한 용매열법과 저온 액상 반응에 의한 코로이달 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다. 그러나 용매열법은 용매로 강염기성의 유독한 아민화합물을 사용하고 반응 시간과 고온-고압을 요구하는 반응이며, 콜로이달 방법은 용매의 탈산소 및 탈 수분을 위한 전처리가 필요하고 모든 과정이 불활성 분위기에서 수행되어야 하는 어려운 점이 있었다. 반면, 본 연구실에서 개발한 합성법은 상온 근처에서 상압으로 단시간에 50 nm 미만의 다양한 CIGS계 나노입자의 합성이 가능하다. 이 방법은 독성이 적은 용액을 사용하고 용액의 재활용이 가능하여 경제적이고 친환경적인 # CIS계 나노 소재 전구체 합성기술이다. 특히, 높은 결정성을 가진 양질의 CIGS계 나노입자를 대량으로 합성할 수 있는 기술은 세계적으로 본 연구진이 유일하다.인쇄기술을 이용한 다결정 CIGS계 박막 제조 : 제조된 CIGS계 나노입자를 사용하여 나노잉크를 제조하고 기판에 인쇄-건조-열처리하여 CIGS계 흡수층 박막을 제조하였다. 이 방법은 고가의 진공장치를 사용하지 않아 셀 원가를 낮출 수 있기 때문에 태양전지의 상용화를 실현시키는데 핵심기술 중 하나이다. 가열에 의한 열과 Se 기체에 의해 CIS계 나노입자 박막이 0.9 ㎛ ~ 2.0 ㎛의 입자크기를 가지는, (112)면으로 잘 성장된 결정성이 매우 뛰어난 다결정 박막으로 합성 할 수 있다.# 표면 텍스쳐링(surface texturing) 기술 : 태양전지 표면 나노 텍스쳐링 기술은 높은 효율을 구현하기 위한 핵심기술 중 하나이다. 고분자 텍스쳐링 기술을 개발하고 세계적 학술지 ’Langmuir‘(2006년 7월)에 기술을 보고 한 바 있으며 광학학술지 “Photonics Spectra”(2006년 10월)에 우수한 기술로 소개되었다. 유리 기판에 2차원으로 잘 정렬된 고분자 미세 구형입자 들의 결정을 얻고 주기적인 패턴을 고분자 복제주물법을 통해서 고분자평면으로 옮기는데 성공했으며 태양전지의 효율을 향상시키는데 성공 하였다. 텍스쳐링이 되어있는 기존 c-Si 태양전지의 경우, 이 기술을 표면에 적용하여 약 1%의 효율을 향상시킬 수 있었다.[기술의 특징 및 효과]나노입자를 이용하여 광흡수층을 제조할 경우 태양전지의 대면적화, 저가화를 쉽게 이룰 수 있으며 다양한 밴드갭을 가지는 고효율의 탠덤형 태양전지도 제조가 가능하게 된다. 전세계적인 에너지 고갈과 친환경 에너지 자원의 활용 필요성이 강조되고 있는 현실에서 이러한 나노분말 전구체를 이용한 공정개발을 통해 가격 경쟁력을 가진 대면적의 고효율 박막 태양전지 양산기술을 개발 한다면 태양전지산업이 앞으로 국가 경제발전에 큰 역할을 수행 할 것으로 기대된다.[응용분야]박막형 태양전지는 결정형 실리콘에 비해서 매우 적은 양의 반도체를 사용하며 넓은 면적의 전지를 대량으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 현재 상업용 박막 태양전지의 효율은 사용물질, 소자 구조에 따라서 5 - 11% 수준이다. 여러 가지 물질들이 복합막으로 형성된 적층형 소자의 경우 15% 이상의 광-변환효율을 나타낸다. 나노구조 소재의 크기 및 배열을 태양광의 특성에 따라서 적절히 조절할 수 있게 된다면 다양한 밴드갭을 가지는 적층형 태양전지의 제작이 가능하여 고효율 태양전지의 대량 보급이 기대된다.[시장환경]CIGS형 태양전지는 장기적으로 다결정 실리콘 태양전지에 필적할만한 변환효율을 달성할 수 있을 것으로 기대되어 많은 주목을 받고 있는 박막형 태양전지 기술의 하나이다. 태양전지 분야의 메이저 업체인 일본의 샤프는 얼마 전 개최된 기자간담회에서, 2013년 이후에는 박막형 태양전지가 주류로 등장할 것이라고 주장하였다. 결정계 실리콘 재료는 제조하는 것도 어려울 뿐만 아니라 입수 자체도 힘든 시기가 오기 때문이라는 점을 들었다. 혼다의 자회사인 혼다솔텍이 일본에서는 처음으로 CIGS형 태양전지의 양산 판매를 시작한 바 있으며 제조한 태양전지 1W당 모듈 제조비용은 다결정 실리콘형 태양전지와 비교하여 같은 수준이다. Nanosolar사의 경우, rool-to-roll 인쇄 공정을 도입함으로써 더욱 낮추었다고 보고했으며 미국의 ISET, Nanosolar등의 태양전지 제조업체에서는 나노입자를 사용하여 소면적에서 10 ~ 15%의 효율을 보고한 바 있다. 최근 미국의 Indium Cooperation등에서는 나노입자 전구체 자체를 상품화 하고 있다.[시장규모]태양전지 시장의 급성장하여 최근 3년 평균 성장률은 35%이며 태양전지의 주원료인 실리콘 가격이 최근 2년 동안 3배 가까이 폭등하였다. 시장은 지속적으로 증가하여 2010년엔 4.5GW에 달할 것으로 추정하고 있으며, 이는 2005년에 비하여 3배 정도 증가한 것이다. 태양전지 생산업체에서는 실리콘 확보가 기업의 생존과 직결한다고 믿고 충분한 실리콘 확보를 위한 경쟁이 매우 치열하다. 2007년 초 쉘 솔라(Shell Solar)는 실리콘을 확보하지 못함으로 실리콘 태양전지 생산 라인을 솔라 월드에 매각하고, CIGS 박막형 태양전지 사업에만 치중하겠다고 선언한바 있다. CIGS 박막형 태양전지는 4마이크론 이하의 두께로 얇게 제작되므로 재료의 소모량이 작고 가볍기 때문에 휴대가 가능하여 활용범위가 넓다. 또한, 아름답게 제작할 수 있어 건물일체형 태양광 발전 시스템(building integrated photovoltaic, BIPV)등에 적용될 수 있다. 골드만 삭스는 2010 이후에는 박막형 태양전지가 태양전지 시장을 주도할 것으로 예측하고 있고, 미국의 나노마켓(Nano Markets)은 박막형 태양광 발전 시장이 2007년 현재 10억 달러 정도에서 2015년에는 72억 달러를 상회할 것으로 내다보고 있다.