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박막 태양전지 기술 현황과 전망 원문보기

광학과 기술 = Optical science and technology, v.16 no.1, 2012년, pp.9 - 17  

윤경훈 (한국에너지기술연구원)

초록이 없습니다.

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문제 정의

  • 실리콘 웨이퍼 태양전지는 고효율, 안정성이 우수한 장점이 있지만 실리콘 원료로부터 단결정의 잉곳이나 다결 정의 블록을 만든 다음 이를 절단하고 연마하여 웨이퍼를 만들고, 웨이퍼로부터 태양전지 제조, 모듈 조립의 순서로 공정 수가 많을 뿐만 아니라 공정 자체가 단속적일 수밖에 없는 단점을 가진다. 가장 확실한 대안으로는 새로운 소재와 구조를 이용한 초저가, 초고효율의 박막 태양전지를 개발하는 것이다. 박막 태양전지 중 이미 상업화에 들어간 것이 [그림 4]의 실리콘, CIGS, CdTe를 광흡수층으로 하는 무기 박막 태양전지이다.
  • 여기에서는 태양전지의 기술 추이와 함께 태양전지의 경제성 향상에 가장 큰 주목을 받고 있는 박막 태양전지중 특히 무기 소재의 박막 태양전지 기술의 현황과 향후 과제에 대해 개략적으로 기술하고자 한다.
  • 이와 병행하여 결정질 실리콘 태양전지의 경제성을 향상시킬 수 있는 방안으로 실리콘 웨이퍼의 두께를 현재의 180-200 μm에서 최저한도까지 줄이는 데 큰 기대를 걸고 있는데, 두께를 줄여 박막 태양전지 대비 원재료의 사용량을 줄이고자 하는 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
다결정 실리콘의 특징은? 1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정 실리콘이고, 현재 가장 높은 효율도 단결정 실리콘을 사용한 것이다. 다결정 실리콘은 효율은 낮지만 보다 값싸게 만들 수 있기 때문에 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 전형적인 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지와 모듈의 제조공정은 실리콘 원소재로부터 출발하여 잉곳(또는 블록) - 웨이퍼 -태양전지 - 모듈의 순서로 최종 제품에 이르게 된다.
PERL 단결정 실리콘 태양전지의 단점은? 각요소별로 다양한 공정 및 기술이 상용화 되어 있다. 현 재 까 지 가 장 높 은 변 환 효 율 을 기 록 한 PERL(Passivated emitter, rear locally-diffused) 단결 정실리콘 태양전지는 그 구조상 실제 제조공정이 매우 복잡하고 공정에 소요되는 시간도 매우 긴 것이 단점이다. 미국의 Sunpower사에서는 전극을 모두 뒷면에 배치한 구조로 고효율의 단결정 실리콘 태양전지를 양산하고 있다.
CIGS 박막 태양전지의 고효율화와 저가격화를 위한 기술 과제의 핵심은? • 실험실 변환효율의 향상 : 현재 20.3%로 고효율이나 소면적에서 25%의 변환효율을 달성할 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 다원화합물이 지닌 물질의 복잡성에 대해 깊은 이해와 공정상의 기본 메카니즘에 대한 심도있는 연구가 반드시 수반되어 실리콘에 대한 이해도 수준까지 올릴 수 있어야 단일접합에서도 지금보다 고효율의 달성이 가능할 것이다. • 신뢰성 있는 저가 대면적 제조장치 : 현재 실험실 최고 효율이 20.3%인 반면 대면적 모듈의 효율은 상대적으로 낮아 그 격차를 줄일 수 있는 저가 장치의 구현이 절실히 요구되고, 특히 복잡한 공정을 실시 간으로 진단하고 제어할 수 있는 기술이 요구된다. • 고수율 저가 공정 : 현재 상업화 공정은 고가의 진공 박막 제조방식으로 비진공의 저가 공정 개발이 절실히 요구된다. 현재 다양한 방식의 공정이 개발 중에 있는데 실험실 수준의 소자 효율이 15%에 달하는등 매우 고무적인 결과들이 도출되고 있다. • In 부존량 부족 : 광흡수층에 사용되는 In은 부존량이 적어 향후 대규모 보급에 가장 큰 걸림돌이 될 것이라는 지적이 있다. CIGS는 광흡수계수가 탁월하여 현재 2 μm인 광흡수층의 두께를 최저 0.5 μm으로 줄여도 고효율을 얻을 수 있다는 전망이다. 다른 방법으로는 In의 사용량을 최소화하거나 전부 다른 원소로 대체하는 방안이다. 현재 In을 Zn와 Sn으로 대체하는 연구가 진행 중에 있으나 실험실적 변환효율이 12% 정도이다. 사용 후 모듈을 모두 회수하여 In을 추출 후 다시 사용할 필요가 있다. • Cd 대체 : 현재 최고의 효율은 buffer 층으로 CdS를 사용한 것인데, 일본 Solar Frontier에서는 이미 Zn(O,S,OH)x를 사용하여 상업화하고 있는 등 대체 재료가 상당 부분 개발 되고 있다.
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