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투명 태양전지는 입사되는 빛의 일부를 흡수하여 전력을 생산하고 가시광선의 일부는 투과
하는 특성을 갖는 광전변환 소자로 건물일체형 태양전지(BIPV) 기술에 접...
주간기술동향 2014. 2. 19.

Greenhouse

Building Integrated Photovoltaics(BIPV)

(그림 1) 투명 태양전지 적용 분야

이러한 가격 측면에 더해 근래에 제기되는 실리콘...
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BIPV 패널을 설치하는 부분에서 차이가 있다. 예를 들어 BIPV 독립형(standalone) 시스
템은 일반적인 PV 시스템의 경우와 마찬가지로 패널, 인버터, 태양광 충전 컨트롤러
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체에서도 염료감응형 태양전지 상용화에 박차를 가하고 있으며 시범적으로 건물에 설치한
사례[8]가 미디어에 보도되었다. 또한 KIST, 한국전자통신연구원(ETRI) 등의 정부출연
연구...
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에서 개발을 진행하는 단계이며, ETRI 에서는 흡수층을 개방하는 기존의 개방형 셀이 아닌,
가시광선이 직접 태양전지를 투과하는 방식의 투과형 셀을 개발하고 있다.

III. 실리콘 기반 투명 태양전지 기술
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결정 실리콘 내부에는 입자의 경계에 해당하는 입계(grain boundary)가 다수 존재하는데,
이때 기계적인 강도가 증가하기 때문에 다결정 실리콘은 단결정 실리콘 보다 얇은 두께...
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2. 비정질 실리콘 기반 투명 태양전지
이제까지 상용화된 대부분의 실리콘 기반 투명 태양전지는 ASITHRUⓇ 기술[9]에서
와 같이 별도의 패터닝 공정을 이용하여 광학적으로 불투명한 흡수층 및 후면전극을 개방...
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두 번째 홈을 형성한다. 흡수층을 구성하는 p 형 반도체층 또는 n 형 반도체층을 형성하기
위해서는 실리콘 형성에 필요한 SiH4 및 H2 기체에 더해 도핑하고자 하는 불순물을 포함...
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가하면 변환 효율은 떨어지는 trade-off 관계를 가지므로 성능 향상을 위한 새로운 방법
이 고안되어야 할 필요가 있다.
나. 투과형 태양전지
투과형 태양전지의 기본 구조는 (그림 4)와 같

Transpa...
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두께가 약 200nm 일 때 투과율이 40%인 결과를 확보하였다. IP 면적이 30×40cm2 인 투
과형 투명 태양전지를 제작하였을 때 JSC 는 약 5mA/cm2, VOC 는 1...
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맞게 그 수요는 큰 폭으로 증가할 것으로 전망된다. 이제까지 투명 태양전지로서 염료감
응형 태양전지에 대한 연구 개발이 오랫동안 이루어져 왔다. 염료감응형 태양전지는 공정
이 단순하고 재료 가격이 저렴한 장점이...
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[8] “이건창호, 국내 최초로 염료감응형 태양전지를 적용한 고단열 BIPV 제품 시공”, 경기일보, 2012. 3.
15.
[9] H. Maurus, M. Schmid, B. Bl...
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[리서치] 실리콘 기반 투명 태양전지 기술

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[리서치] 실리콘 기반 투명 태양전지 기술

  1. 1. 포커스 포커스 실리콘 기반 투명 태양전지 기술 이승윤* 투명 태양전지는 입사되는 빛의 일부를 흡수하여 전력을 생산하고 가시광선의 일부는 투과 하는 특성을 갖는 광전변환 소자로 건물일체형 태양전지(BIPV) 기술에 접목되어 일반 건축물 의 창호 및 온실의 외장재로서 활용이 가능하다. 일반적인 태양전지와 비교할 때 투명 태양전 지는 변환 효율이 낮고 가격이 비싸서 아직까지 널리 보급되고 있지 않다. 그러나 투명 태양 전지를 건축물에 적용하면 전기 발전에 의한 에너지 공급이 가능하고 외관을 미려하게 하는 심미적 효과 및 태양열 차단에 따른 냉방 에너지 절약 효과를 얻을 수 있기 때문에 발전 가능 성이 매우 높게 평가되고 있다. 따라서 본 고에서는 BIPV에 적용되는 투명 태양전지 기술을 소개하고, 전력 생산 이외에도 여러 가지 기능을 하는 실리콘 기반 투명 태양전지를 중심으로 개발 동향 및 기술적 이슈에 대해 기술하고자 한다. I. 서 론 목 차 가전자대(valence band)의 전자가 입사되 Ⅰ. 서 론 Ⅱ. BIPV 및 투명 태양전지 기술 Ⅲ. 실리콘 기반 투명 태양전지 기술 IV. 결 론 는 광자 에너지를 흡수하여 전도대(conduction band)로 여기되고 pn 접합에 형성된 전계 에 의해 유동함에 따라 광전류(photocurrent) 가 생성되는 원리를 이용하는 태양전지는 대표적인 재생 가능한 에너지원으로 각광받 고 있다. 현재 태양전지 시장의 대부분은 벌크형 실리콘(Si) 단결정/다결정 태양전지 가 차지하고 있으며, 비정질 실리콘(a-Si) 또는 실리콘-게르마늄(SiGe) 박막을 흡수 층으로 사용하는 실리콘계 박막 태양전지는 흡수층의 박막화에 따른 제조비용 상의 장 점 때문에 장차 태양전지 분야에서 독자적 * 한밭대학교 신소재공학과/부교수 인 영역을 구축할 것으로 예상되고 있다. 정보통신산업진흥원 1
  2. 2. 주간기술동향 2014. 2. 19. Greenhouse Building Integrated Photovoltaics(BIPV) (그림 1) 투명 태양전지 적용 분야 이러한 가격 측면에 더해 근래에 제기되는 실리콘 박막 태양전지의 투명화 이슈는 향후 건물일체형 태양광발전(Building Integrated Photovoltaics, BIPV)[1]-[2] 기술 분야에서 실리콘 박막 태양전지가 활용될 수 있는 가능성을 구체화 하고 있다. 실리콘 박막 투명 태 양전지는 투명 태양전지로서 오랜 기간 연구 개발이 진행된 염료감응형 태양전지에 비해 화학적 안정성이 우수하고 대면적화가 가능하여 (그림 1)과 같이 건물의 창호 및 온실의 외장재 등으로 폭넓게 사용될 수 있다. 본 고에서는 태양전지 투명화와 관련된 태양전지 기술들을 살펴보고, 실리콘 기반 투명 태양전지 기술의 개발 동향에 대해 기술하고자 한다. II. BIPV 및 투명 태양전지 기술 인간은 대부분의 시간을 건물 안에서 보내고 있으며, 일차 에너지의 약 40%가 건물을 위해서 필요하다[3]. 건물 외부의 일부분을 기존의 건축 소재 대신에 광전변환 소재 (photovoltaic material)로 대체하는 BIPV 기술은 일반적인 태양전지 기술과 비교할 때 건축 요소의 하나로서 아름다운 환경 조성에 기여하고 건축 자재 및 노동력을 절감시키는 장점을 가지고 있다. 여기에 더해 일반 태양전지 패널을 적용하기 힘든 약한 구조물이나 파사드(façade), 천창(skylight) 등에 BIPV 를 적용함으로써 전기를 생산하는 것이 가능하 다. 이러한 장점들로 인해 BIPV 기술에 대한 관심이 해마다 높아지고 있으며, BIPV 시장 규모는 2011 년 기준으로 20 억 달러에서 2016 년에는 110 억 달러에 이를 것으로 전망 된다[4]. BIPV 기술은 근본적으로는 일반적인 태양전지 기술과 큰 차이가 없으며, 다만 건물에 2 www.nipa.kr
  3. 3. 포커스 BIPV 패널을 설치하는 부분에서 차이가 있다. 예를 들어 BIPV 독립형(standalone) 시스 템은 일반적인 PV 시스템의 경우와 마찬가지로 패널, 인버터, 태양광 충전 컨트롤러 (solar charge controller), 에너지 저장 시스템으로 구성되며, BIPV 패널은 결정질 실리콘 등의 결정질 재료 또는 비정질 실리콘, CdTe, CIGS 등의 박막형 재료로 제조된다. 그런데 결정질 재료가 사용되는 패널은 박막형 재료가 사용되는 패널에 비해서 상대적으로 무겁 기 때문에 사용 장소에 따른 제약이 존재하며, 이에 따라 많은 수의 업체에서 박막형 제품 제조에 주력하고 있다. BIPV 패널의 가격은 일반 태양전지 패널에 비해 1.5 배 내지 2 배 정도 높다고 알려져 있으며, 이는 셀의 변환 효율이 낮고 설치비용이 높은 것에서 기인하 는 것이다[5]. 그러나 기술의 발전 및 수요 증가에 따른 대면적화와 대량생산에 의해서 가격은 계속해서 낮아지는 추세이다. BIPV 기술에 있어서 투명 태양전지는 다양한 기능 때문에 향후 발전 가능성이 매우 높은 분야이다. 투명 태양전지를 건물의 투명 창에 적용함으로써 빛 투과에 따른 감성 측 면의 효과를 기대할 수 있고, 전기 생산 및 열 차폐에 따른 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다. Suntech 사는 비정질 실리콘을 흡수층 재료로 하는 투명 태양전지와 열반사 유리 (heat reflective glass)의 에너지 절약 효과 시뮬레이션을 이용하여 비교 분석하였다[6]. 비정질 실리콘은 90%의 열을 차단하는 특성을 가지고 있기 때문에 투명 태양전지를 열반 사 유리 대신에 사용하면 냉방에 필요한 에너지는 훨씬 감소하고 난방에 필요한 에너지는 다소 증가하며 추가적으로 전기 에너지가 공급되므로 전체 전력 소모가 10 분의 1 수준으 로 감소하였다. BIPV 투명 창으로 적용 가능한 투명 태양전지 소자는 크게 염료감응형 태양전지와 실 리콘 기반 태양전지로 나뉘며, 두 종류의 태양전지 모두 제품이 출시되었으나 아직까지는 변환 효율, 신뢰성 등의 성능이 만족스러운 수준에 도달되지 않아 널리 사용되고 있지 않 다. 염료감응형 태양전지는 TiO2 등의 나노입자에 흡착된 염료(dye) 내의 전자가 빛 에너 지에 의해서 여기 되고 전해질로 둘러싸인 나노입자 네트워크를 통해 흐름으로써 전기가 발생하는 원리를 이용한다[7]. 염료감응형 태양전지는 가볍고 구성 재료가 저가이며 스크 린 프린팅(screen printing) 등의 간편한 공정으로 제조되기 때문에 BIPV 용도로 사용되 기에 매우 적합하다. 염료감응형 태양전지 분야에서의 선두 업체는 Dyesol 과 Sharp 로서 최대 약 10%의 변환 효율을 보고하고 있다. 삼성 SDI, 이건창호, 다이솔티모 등 국내 업 정보통신산업진흥원 3
  4. 4. 주간기술동향 2014. 2. 19. 체에서도 염료감응형 태양전지 상용화에 박차를 가하고 있으며 시범적으로 건물에 설치한 사례[8]가 미디어에 보도되었다. 또한 KIST, 한국전자통신연구원(ETRI) 등의 정부출연 연구기관 및 다수의 대학에서도 관련 연구과제가 활발하게 진행되고 있다. 염료감응형 태 양전지는 비용 측면에서 강점이 있으나 액체 전해질의 화학적 안정성 문제 및 대면적화에 따른 변환 효율의 열화 문제 등이 극복되어야 할 난제로 알려져 있다. <표 1> 투명 태양전지 현황 비교 기술 염료감응형 태양전지 실리콘 기반 투명태양전지 기관 및 업체 개요 개발 단계 Konarka Dyesol Sharp Solaronix 삼성SDI - 1991 년에 스위스의 Gratzel 그룹이 최초로 개발 - 나노입자에 흡착된 single-molecular dye(염료)에 의해 광기전력 발생 - 재료 가격이 저렴하고 제조 공정이 단순함 - 약 10~11% 대의 변환 효율을 나타냄 - 전해질 누설 등에 따라 화학적 안정성이 낮음 - 수명이 짧음 - 대면적화가 어려움 상용화 초기 Suntech Schott Solar Kaneka - 실리콘 박막을 흡수층으로 사용하면서 패터닝을 이용하여 흡수층 및 후면전극을 개방함으로써 가시 광선 투과율을 확보 - 투과율이 높을수록 변환 효율이 감소 - 최종 변환 효율은 실리콘 박막 태양전지의 변환 효 율에 개방되지 않은 면적의 비율을 곱한 값임 - 염료감응형에 비해 신뢰성이 높음 상용화 초기 염료감응형 태양전지와 더불어 재현성 및 신뢰성 측면에서 탁월한 실리콘 공정을 기반 으로 하는 실리콘 기반 투명 태양전지가 개발되어 왔다. 이제까지 상업화된 실리콘 기반 투명 태양전지는 레이저 식각 등의 패터닝 방법을 이용해서 불투명한 흡수층 및 후면전극 의 일부를 개방하여 가시광선이 태양전지를 투과하도록 한 것으로, 셀 제조 기술로 Suntech 의 SeeThruTM 기술[6], Schott Solar 의 ASITHRUⓇ 기술[9] 등이 있다. 국내의 실리콘 기반 투명 태양전지 연구는 시작 단계로서 일부 업체에서 개발을 검토하거나 연구소 수준 <표 2> 투명 태양전지 특징 비교 항목 화학적 안정성 실리콘 기반 투명태양전지 염료감응형 태양전지 개방형 투과형 높음 높음 낮음 대면적화 유리 불리 변환 효율 다층구조 최적화로 투과율을 유지하면서 상승 가능 보통 기반 기술의 성숙도 4 유리 투과율과 trade-off 관계 로 개선에 한계가 존재 우수 우수 보통 www.nipa.kr
  5. 5. 포커스 에서 개발을 진행하는 단계이며, ETRI 에서는 흡수층을 개방하는 기존의 개방형 셀이 아닌, 가시광선이 직접 태양전지를 투과하는 방식의 투과형 셀을 개발하고 있다. III. 실리콘 기반 투명 태양전지 기술 1. 실리콘 박막 기반 태양전지 실리콘은 지구 상에 다량으로 분포하는 원소 중 하나로서 산소와 반응하여 열적으로 안정하고 절연 특성이 뛰어난 산화물을 형성하기 때문에 반도체 소자 또는 태양전지를 구 성하는 주요 소재로서 널리 사용되고 있다. 실리콘은 (그림 2)의 결정구조에 따라 단결정 실리콘, 다결정 실리콘, 비정질 실리콘으로 구분된다. 단결정 실리콘은 재료 전체에 걸쳐서 실리콘 원자가 규칙적으로 배열하는 것으로 Czochralski 법이나 float zone 법과 같이 많은 에너지를 필요로 하는 특수한 공정을 통 해서 얻어진다. 단순하게 용융된 실리콘을 응고시키면 결정면 방향이 서로 일치하지 않는 다수의 입자(grain)로 구성되는 다결정 실리콘이 얻어진다. 비정질 실리콘은 액체나 기체 상태의 원자가 무질서하게 분포하는 것과 마찬가지로 고체 내에서 실리콘 원자가 무질서 하게 분포하는 것으로 스퍼터증착(sputter-deposition)이나 화학기상증착(chemical vapor deposition: CVD) 등의 박막 증착법을 통해서 용이하게 얻어진다. 이러한 실리콘 결정구 조의 차이는 전자나 정공(hole)의 유동(drift)과 재결합(recombination)에 직접적인 영향을 미치기 때문에 반도체 소자나 태양전지의 성능을 좌우하는 중요한 요인이 된다. 또한 다 (a) 단결정 (b) 다결정 (c) 비정질 (그림 2) 결정구조 개략도 정보통신산업진흥원 5
  6. 6. 주간기술동향 2014. 2. 19. 결정 실리콘 내부에는 입자의 경계에 해당하는 입계(grain boundary)가 다수 존재하는데, 이때 기계적인 강도가 증가하기 때문에 다결정 실리콘은 단결정 실리콘 보다 얇은 두께로 도 태양전지의 흡수층 및 기판으로 사용될 수 있다. 결국 실리콘의 결정구조 차이가 실리 콘을 기반으로 하는 태양전지의 성능 및 가격을 결정하는 근본적인 요소라고 할 수 있다. 결정구조에 의해 결정되는 중요한 특성 중 하나는 흡수계수이다. 비정질 실리콘은 결 정질 실리콘과는 달리 원자의 불규칙한 배열에 의해 직접형 반도체(direct semiconductor) 특성을 나타낸다. 따라서 광 흡수계수가 단결정 실리콘에 비해 40 배 정도 커서 얇은 두께 의 박막 형태로 태양전지 흡수층으로써 이용될 수 있다. 이에 비정질 실리콘을 기반으로 하는 실리콘 박막 태양전지는 저비용이 가능하고 변환 효율 향상 등의 기술적인 개선의 여지가 많은 것으로 여겨지고 있다. 전체 PV 산업 중 결정질 실리콘 태양전지가 차지하는 비중은 2010 년 기준으로 약 83%로 절대 다수를 차지하고 있으며, 실리콘 박막 태양전지 의 경우에는 약 5% 정도의 미미한 비율을 나타내고 있다[10]. 그러나 2015 년경에는 실 리콘 박막 태양전지가 결정질 실리콘 태양전지에 버금가는 시장규모를 형성하게 될 것으 로 예상되고 있다[11]. 결정질 실리콘 및 화합물 반도체를 포함하는 다른 흡수층 재료들과 비교할 비정질 실 리콘이 갖는 장점은 다음과 같다. 첫째, 공급이 용이하고, 인체에 무해하다. 둘째, 박막 형 성 온도가 150~250℃로 비교적 낮다. 따라서 단결정 또는 다결정 실리콘 기판을 만드는 경우와 비교할 때 제조에 있어서 에너지 소모가 작고, 기판의 제약이 없다. 즉, 플라스틱 이나 유리 등 가격이 저렴하고 높은 온도에서 성질이 변하는 재료를 기판으로 사용하는 것이 가능해진다. 셋째, 박막 증착 기술을 바탕으로 대면적으로 제조하는 것이 가능하다. 넷째, 전력 출력(power output)에 대한 온도계수(temperature coefficient)가 작아서 에너 지 yield 가 크다. 따라서 비정질 실리콘 박막을 흡수층으로 하는 태양전지는 변환효율이 다른 태양전지에 비해서 낮은 단점에도 불구하고 태양전지 시장의 일정 부분을 차지할 것 으로 예상된다. 한편, 상대적으로 효율이 높은 결정질 실리콘 태양전지의 가격이 하락함에 따라 저비용이 장점인 비정질 실리콘 태양전지의 입지는 급격하게 축소되고 있다. 그러나 비정질 실리콘 셀 상부에 미세결정질 실리콘 셀을 적층하여 탠덤(tandem)형의 모듈을 구 성하면 변환 효율이 크게 증가하므로 앞으로도 비정질 실리콘 박막을 포함하는 실리콘 박 막 태양전지에 관한 연구 개발은 활발하게 진행될 것으로 판단된다. 6 www.nipa.kr
  7. 7. 포커스 2. 비정질 실리콘 기반 투명 태양전지 이제까지 상용화된 대부분의 실리콘 기반 투명 태양전지는 ASITHRUⓇ 기술[9]에서 와 같이 별도의 패터닝 공정을 이용하여 광학적으로 불투명한 흡수층 및 후면전극을 개방 함으로써 가시광선 투과율을 확보하는 개방형 태양전지이다. 한편, 개방형 구조의 경우 일 반적인 태양전지와 다르게 패터닝 공정이 추가되어 제조 비용이 증가하므로 가시광선이 직접 태양전지를 투과하는 방식의 투과형 태양전지 또한 개발되고 있다. 가. 개방형 태양전지 개방형 태양전지의 기본 구조는 (그림 3)과 같이 투명 기판, 투명 전면전극, 비정질 실 리콘 흡수층, 후면전극으로 구성된다. 투명 기판으로는 유리가 널리 사용되며, 투명 전면 전극 재료는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO), ZnO, SnO2 등이 사용된다. 비정질 실리콘 흡수층은 p 형 반도체층, 진성 반도체층, n 형 반도체층으로 구성되는 p-i-n 구조 를 가지며, 필요에 따라 실리콘뿐만 아니라 SiGe, SiC, 또는 SiN 등의 합금 재료를 부분적 으로 포함한다. 후면전극 재료로는 은(Ag), 알루미늄(Al) 등의 금속 재료가 사용된다. 개방형 태양전지 셀은 일반적으로 다음과 같은 공정 순서에 따라 제조된다. 투명 기판 위에 physical vapor deposition(PVD)나 CVD 등의 박막 증착법을 이용하여 투명 전면전 극을 형성하고, 레이저 스크라이빙(scribing)을 이용하여 투명 전면전극을 전기적으로 분 리하는 역할을 하는 첫 번째 홈(groove)을 형성한다. 그 위에 비정질 실리콘 흡수층을 plasma enhanced CVD(PECVD)를 이용하여 형성하고, 레이저 스크라이빙을 이용하여 Window Rear electrode Absorber layer(a-Si) Glass Transparent front electrode (그림 3) 개방형 태양전지의 기본 구조 정보통신산업진흥원 7
  8. 8. 주간기술동향 2014. 2. 19. 두 번째 홈을 형성한다. 흡수층을 구성하는 p 형 반도체층 또는 n 형 반도체층을 형성하기 위해서는 실리콘 형성에 필요한 SiH4 및 H2 기체에 더해 도핑하고자 하는 불순물을 포함 하는 원료 기체를 공급하여 PECVD 공정을 실시함으로써 in-situ doping 이 되도록 한다. 앞에서 언급한 바와 같이 실리콘 결정구조에 따라 밴드갭, 흡수계수 등의 특성이 변화하 므로 필요에 따라 원료기체의 유량비(flow rate) 등의 증착 조건을 변화시켜서 비정질 실 리콘뿐만 아니라 미세결정질(microcrystalline) 또는 나노결정질(nanocrystalline) 실리콘 이 형성되도록 한다. 마지막으로 증발법(evaporation)이나 스퍼터증착과 같은 PVD 를 이 용하여 후면전극을 형성한다. 이 단계까지 공정이 진행되면 제조된 셀은 태양전지로서 작동이 가능하나, 흡수층 및 후면전극을 구성하는 물질들이 광학적으로 불투명하므로 빛이 태양전지를 투과할 수 없다. 따라서 빛이 투과되는 윈도 영역이 필요하며, 이에 따라 다양한 방법을 이용하여 윈도를 형성한다. 기판 및 전면전극은 투명한 소재를 사용하기 때문에 후면전극과 흡수층을 제거 하거나 또는 후면전극, 흡수층, 전면전극을 제거하면 빛의 투과가 가능해진다. 윈도를 형 성하는 데 있어서 가장 널리 사용되는 방법은 레이저를 이용하는 것이다. 레이저의 고에 너지를 이용하여 원하는 부분의 후면전극 및 흡수층을 제거하는 것으로 정밀한 패턴을 얻 을 수 있는 장점이 있다. 그러나 제거 면적이 넓을 때에는 비용 측면에서 식각(etching)을 이용하는 것이 유리하다. 식각은 용액이나 반응성 기체를 이용하여 선택적으로 후면전극 및 흡수층을 제거하는 것으로 두 층 모두 용액을 사용하여 습식 식각하거나, 후면전극은 용액을 사용하여 습식 식각하고 흡수층은 반응성 기체를 사용하여 건식 식각할 수 있다. 또는 전면전극을 형성하고 미리 윈도 영역을 마스크로 덮은 후에 흡수층 및 후면전극을 형성하고 일괄공정으로 흡수층과 후면전극을 제거하여 윈도를 형성할 수도 있다. 이러한 고전적인 방법에 더해 연마(polishing)를 이용하여 윈도를 형성하는 방법도 제안되었다. 레이저 스크라이빙을 이용하여 윈도 영역의 테두리에 홈을 형성한 후에 샌드블라스팅 (sandblasting) 또는 분쇄(grinding)를 이용하여 윈도 영역 내의 후면전극, 흡수층, 전면전 극을 모두 제거하는 것이다. 이때 외부로 노출되는 투명 기판의 표면이 거칠어지는데 태 양전지 위에 투명 밀봉수지(sealing resin)를 도포함으로써 윈도 영역에서 투과도를 확보 한다. 이러한 구조의 태양전지는 일반적인 태양전지와 비교할 때 윈도를 확보하기 위한 패터닝 공정이 추가되어야 하는 단점이 존재하며, 개방되는 면적이 증가하여 투과율이 증 8 www.nipa.kr
  9. 9. 포커스 가하면 변환 효율은 떨어지는 trade-off 관계를 가지므로 성능 향상을 위한 새로운 방법 이 고안되어야 할 필요가 있다. 나. 투과형 태양전지 투과형 태양전지의 기본 구조는 (그림 4)와 같 Transparent rear electrode 이 투명 기판, 투명 전면전극, 비정질 실리콘 흡수 Absorber layer(a-Si) 층, 투명 후면전극으로 구성된다. 개방형 태양전 Transparent front electrode 지와는 다르게 후면전극으로 ITO 또는 ZnO 와 같은 투명전극물질을 사용하며, 빛이 태양전지를 Glass 투과하기 때문에 셀 내에 윈도 영역이 존재하지 않는다. 실리콘은 반도체 재료로서, 부도체에 비 해서 밴드갭이 상대적으로 작기 때문에 일정 두께 이상이 되면 가시광선의 대부분을 흡수하여 광학 (그림 4) 투과형 태양전지 기본구조 적으로 불투명해진다. 따라서 투과형 태양전지를 만들기 위해서는 흡수층을 구성하는 실 리콘의 특성을 최적화하는 것이 가장 중요하다. 여기에 더해 변환 효율과 투과율을 동시 에 확보하기 위해 적층구조를 이루고 있는 전극과 흡수층의 두께 및 굴절률을 적절히 제 어하는 것도 중요한 이슈 중의 하나이다[12]. MVSystems 사는 비정질 실리콘을 흡수층으로 하는 반투명(semi-transparent) 태양 전지에 관한 연구개발 결과를 발표하였다[13]. 비정질 실리콘 증착온도를 230℃에서 150℃ 이하로 낮춤으로써 유리 또는 유리전이온도(glass transition temperature, Tg)가 약 250℃로 고온인 폴리아미드(polyamide)를 대신하여 가격이 상대적으로 저렴하고 낮은 Tg 특성을 갖는 플라스틱(inexpensive plastic: IP)을 기판으로 도입하였다. 전면전극과 후 면전극은 동일하게 ITO 를 사용하였고, 흡수층은 비정질 실리콘을 진성 반도체층으로 하 여 p-i-n 구조로 구성하였다. SiH4, CH4, 및 B2H6 를 원료기체로 사용하여 비정질 SiC 로 이루어진 p+ 반도체층을 형성하고, SiH4 및 PH3 를 원료기체로 사용하여 n+ 반도체층을 형성하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 투과형 태양전지에서는 흡수층을 구성하는 실리콘 의 특성을 최적화하는 것이 매우 중요한데 진성 반도체층(i 층)의 두께에 따라 투과율 조 절이 가능하다는 사실을 보고하였다. 가시광선 영역에서 i 층 두께가 증가함에 따라 대체 적으로 투과율이 감소하는 경향이 관찰되었으며, 600nm 의 파장을 기준으로 할 때 i 층의 정보통신산업진흥원 9
  10. 10. 주간기술동향 2014. 2. 19. 두께가 약 200nm 일 때 투과율이 40%인 결과를 확보하였다. IP 면적이 30×40cm2 인 투 과형 투명 태양전지를 제작하였을 때 JSC 는 약 5mA/cm2, VOC 는 10V 이상이었으며, 변환 효율은 약 3%였다. 투과율을 35%로 다소 낮게 설정하고 다층구조를 최적화하면 변 환 효율을 5.5%로 상승시킬 수 있다고 예측하였다. 캐나다 워털루 대학(University of Waterloo) 연구팀은 비정질 실리콘 또는 미세결정 질 실리콘을 흡수층으로 하는 반투명 태양전지에 관한 연구개발 결과를 발표하였으며 [14]-[15], 특히 i 층 형성 시의 수소 희석 비(hydrogen dilution ratio, [H2]/[SiH4])가 실리콘의 결정구조 및 태양전지 특성에 미치는 효과를 보고하였다. 비정질 실리콘을 i 층 구 성물질로 하고 미세결정질 실리콘을 p 층 및 n 층 구성 물질로 하여 150℃의 증착온도에서 PECVD 를 이용하여 p-i-n 구조의 흡수층을 형성하였다. 기판으로는 유리 또는 polyethylene naphthalate(PEN)을 사용하였고, 전면전극과 후면전극은 동일하게 스퍼터 증착으로 형성 된 ZnO 를 사용하였다. 수소 희석 비가 상대적으로 낮을 때에는 실리콘이 비정질로 증착 되고 높을 때에는 미세결정질로 증착된다고 알려져 있으며, 수소 희석 비가 20 이상일 때 미세결정질 실리콘의 큰 재결합 손실에서 기인하는 0.45V 이하의 낮은 VOC 특성이 나타 났다. 연구팀은 VOC 의 감소 원인으로 재결합 손실을 꼽았으며, 미세결정질 실리콘이 비정 질 실리콘에 비해 밴드갭이 작은 사실도 VOC 감소에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. JSC 또한 수소 희석 비가 10 이상일 때 큰 폭으로 감소하였으며, 단 수소 희석 비가 40 으로 매우 클 때에는 증착된 실리콘의 높은 결정성에서 기인하는 장파장 흡수율 증가로 인해 JSC 가 다시 큰 폭으로 상승하는 현상이 관찰되었다. 수소 희석 비에 따른 변환 효율 변 화 양상은 VOC 및 JSC 의 경우와 유사하게 비정질 실리콘이 형성되는 조건인 수소 희석 비 20 이하에서 상대적으로 큰 값을 나타내었다. 수소 희석 비가 5 이고 i 층 두께가 340nm 인 조건에서 유리 및 PEN 을 기판으로 사용하였을 때의 변환효율은 각각 4.70%와 3.99% 로 측정되었다. 앞에서 기술한 MVSystems 사의 결과와 비교할 때 변환 효율은 크게 증 가하였으나 셀의 투과율을 제시하지 않아서 직접적인 성능의 비교는 불가능하다. IV. 결 론 투명 태양전지는 효율성과는 별개로 건축물에 적용하여 외관을 미려하게 하는 심미적 인 측면에서의 장점을 가지고 있어서 친환경 및 고급화를 지향하는 현 시대의 트렌드에 10 www.nipa.kr
  11. 11. 포커스 맞게 그 수요는 큰 폭으로 증가할 것으로 전망된다. 이제까지 투명 태양전지로서 염료감 응형 태양전지에 대한 연구 개발이 오랫동안 이루어져 왔다. 염료감응형 태양전지는 공정 이 단순하고 재료 가격이 저렴한 장점이 있으나 아직까지 다른 태양전지에 비해 상대적으 로 변환 효율이 낮고 화학적 안정성이 떨어지는 등 지속적으로 성능이 개선되어야 하는 과제를 안고 있다. 실리콘 기반 투명 태양전지를 BIPV 용으로 사용하고자 하는 시도들이 최근에 들어 이루어지고 있으며, 신뢰성 및 대면적화 가능성을 고려할 때 실리콘 기반 투 명 태양전지는 염료감응형 태양전지와 더불어 근시일 내에 상용화가 가능하고 가격 경쟁 력 또한 갖추고 있는 것으로 평가된다. 최근 수년 간의 글로벌 재정 위기에 따른 재정 지 원 축소 및 폴리 실리콘, 모듈 등의 공급 과잉에 의해 전 세계적으로 태양광 산업은 침체 를 겪고 있다. 특히 국내 태양광 업체들은 해외 업체들과 치열한 경쟁을 벌이면서 세계 시 장에서의 점유율을 높이기 위해 필사적으로 노력하고 있다. 그러나 환경적인 측면과 화석 연료의 유한함을 고려한 장기적인 관점에서 볼 때 태양광 발전이 미래의 주요 에너지원이 될 것이라는 점은 자명해 보이며, 이에 투명 태양전지를 포함하는 태양광 발전 산업에 대 한 투자 및 연구 개발이 지속적으로 필요하다고 판단된다. <참 고 문 헌> [1] J. Benemann, O. Chehab, E. Schaar-Gabriel, “Building-integrated PV modules,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells 67, 345, 2001. [2] 윤종호, “건물일체형 태양광(BIPV) 및 태양열(BIST) 시스템의 최신 기술동향,” 건설기술 59, 04, 2011. [3] M. Salvador, S. Grieu, “Methodology for the design of energy production and storage systems in buildings: Minimization of the energy impact on the electricity grid,” Energy and Buildings 47, 659, 2012. [4] NanoMarkets, “NanoMarkets Issues New Report on Building Integrated Photovoltaics(BIPV) Market,” www.nanomarkets.net/news/article/nanomarkets_issues_new_report_on_building_integrated _photovoltaics_bipv_mar, 2011. [5] Green World Investor, “BIPV Industry and Market – List of Main Companies, Suppliers and Manufactures,” www.greenworldinvestor.com/2011/08/01/bipv-industry-and-market-list-ofmain-companiessuppliers/, 2011. [6] Catalogs Suntech 2009, www.suntech-power.com, 2009. [7] D. Wei, “Dye Sensitized Solar Cells,” Int. J. Mol. Sci. 11, 1103, 2010. 정보통신산업진흥원 11
  12. 12. 주간기술동향 2014. 2. 19. [8] “이건창호, 국내 최초로 염료감응형 태양전지를 적용한 고단열 BIPV 제품 시공”, 경기일보, 2012. 3. 15. [9] H. Maurus, M. Schmid, B. Blersch, P. Lechner, H. Schade, “PV for buildings,” re-focus 5(6), 22, 2004. [10] PV News, “PV News Annual Data Collection Results: 2010 Cell, Module Production Explodes Past 20 GW,” www.greentechmedia.com/articles/read/pv-news-annual-data-collection-resultscell-and-module-production-explode-p/, 2011. [11] Solar & Energy, “BIPV Installation Market, to Reach 1.9GW in 2015 with the support from the Government,” www.solarnenergy.com/eng/info/sread.php?id=5821&s., 2011. [12] J. W. Lim, D. J. Lee, and S. J. Yun, “Semi-transparent amorphous silicon solar cells using a thin p-si layer and a buffer layer,” Electrochem. Solid-State Lett. 2(6) Q47, 2013. [13] X. Zhang, M. Saemann, J. Hu, A. Kunrath, A. Berger, A. Madan, “Semi-transparent solar cells and modules on inexpensive plastic substrates,” 2006 IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion Vol.2, 1517, 2006. [14] E. Fathi, A. Sazonov, “Protocrystalline silicon solar cell on transparent plastic substrates,” 2009 34th IEEE Photovoltaic Specialists Conference(PVSC), 1785, 2009. [15] E. Fathi, A. Sazonov, “Optimization of semi-transparent amorphous silicon solar cells for building integrated applications,” 2010 35th IEEE IEEE Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 1500, 2010. * 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 12 www.nipa.kr

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