[논문]BIPV 응용을 위한 플렉서블 Cu(In,Ga)Se2 박막태양전지의 연구현황 및 전망

신동협; 김기환; 조준식; 어영주; 안승규; 정인영; 조윤애; 송수민; 곽지혜; 윤재호

초록
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$Cu(In,Ga)Se_2$ (CIGS) 태양전지 기술은 1970년대 처음으로 소개된 이래 지속적인 기술적 진보를 통해 현재 소면적 유리 기판기준으로 세계최고효율 22.6%을 달성하였다. 최근에는 유리 기판뿐만 아니라 플렉서블 기판에도 적용되어 20%가 넘는 고효율이 유지됨으로써, 플렉서블 CIGS 박막태양전지의 BIPV로 응용에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 글에서는 플렉서블 CIGS 박막태양전지의 주요 요소 기술에 대해서 살펴보고, 국내외 연구 및 산업적 현황 및 향후 전망에 대해서 기술하고자 한다.

AI 본문요약
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문제 정의

6%(세계최고기록)까지 상승되는데 가장 큰 기여를 한 부분은 알칼리 post-deposition treatment(PDT)의 도입이다. 그래서 CIGS 박막의 알칼리 도핑효과에 대해서도 간략히 살펴보고자 한다. CIGS 박막태양전지 연구 초기에서는 Na과 같은 alkali 원소의 함량이 매우 적은 borosilicate 유리를 기판으로 사용하였다.
현재 폴리머 기반의 플렉서블 CIGS 박막태양전지는 저비용, 고효율, 경량성 BIPV 구현이 가능하므로 더욱 많은 관심을 받고 있다. 그래서 스위스 EMPA에서 개발한 고효율 플렉서블 CIGS 박막태양전지를 제조하는 기술을 간략히 살펴보고자 한다.
다층 박막의 CIGS 태양전지 중 가장 핵심층은 광흡수층인 CIGS 박막이며, 이 CIGS의 품질에 의해 태양전지의 효율이 크게 좌우된다. 그래서 우선적으로 CIGS 박막의 연구기술 변천에 대해서 간략히 소개하려고 한다. 1974년 미국의 Bell연구소에서 CuInSe₂/CdS 이종접합 연구를 시작하였다.
이와 더불어 플렉서블 CIGS 박막태양전지는 대량생산이 가능한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용이 가능하여 태양전지의 제조단가를 더욱 줄일 수 있을 것으로 기대도 된다. 따라서 본 글에서는 BIPV용으로 주목을 받고 있는 플렉서블 CIGS 태양전지의 기술과 국내외 연구개발 동향과 향후전망에 대해서 살펴보고자 한다.

제안 방법

스위스 EMPA에서는 고효율 플렉서블 CIGS 박막태양전지를 제조하기 위해서 폴리이미드의 물성이 유지되는 500°C 이하의 저온 CIGS 박막 제조공정을 개발하였다.

대상 데이터

그래서 CIGS 박막의 알칼리 도핑효과에 대해서도 간략히 살펴보고자 한다. CIGS 박막태양전지 연구 초기에서는 Na과 같은 alkali 원소의 함량이 매우 적은 borosilicate 유리를 기판으로 사용하였다. 이후 EuroCIS에서는 borosilicate 유리 대신 CIGS 박막과 열팽창 계수가 유사한 Na 함량이 높은 소다라임유리를 사용하기 시작하였다.

성능/효과

6%이며, 독일의 ZSW에 의해서 달성되었다. 22.6%의 효율을 보이는 CIGS 광흡수층은 상기한 3단계법에 기반한 동시진공증발법에 의해 형성되었다. 그림 5에 도시된 것처럼, 이 3단계법은 1단계에서 In, Ga, Se 원소를 공급하여(In,Ga)₂Se₃ 전구체 박막을 형성한 후, 기판의 온도를 550°C 이상의 고온으로 승온하고 Cu와 Se 원소를 공급하여 Cu가 과잉인 조성의 CIGS 박막을 형성하게 된다(2단계).
이 중 태양전지의 에너지변환 효율, 친환경성, 안정성 등을 종합적으로 고려하였을 때, 현재 CIGS가 BIPV용 플렉서블 박막태양전지를 위한 소재로 최적일 것으로 판단된다. CIGS 박막태양전지는 소면적에서 22% 이상 그리고 서브모듈에서는 18% 이상의 높은 에너지변환 효율을 보일 뿐만 아니라 소자의 장기안정성도 검증되었다. 그래서 그림 2에 보이는 것처럼 유리기판의 대면적 CIGS 태양광모듈은 태양광발전소용으로 사용되고 있으며, 플렉서블 기판에서 제조된 CIGS 태양광모듈은 지붕과 벽면 등 다양한 건축물의 외벽에 설치되고 있다.
이런 저온 CIGS 박막 제조공정에 의해서 태양전지의 효율이 18% 이상 달성되었다. 또한 폴리이미드 기판에는 Na와 같은 알칼리 원소가 존재하지 않기 때문에 추가적으로 NaF와 KF PDT 공정을 적용한 결과, 20.4%의 세계최고효율을 달성할 수 있게 되었다.
상기하였듯이 플렉서블 CIGS 박막태양전지의 가장 선도하는 연구기관은 스위스 EMPA이며 세계최고효율인 20.4%를 달성하였다. 또한 미국의 델라웨어 IEC에서도 폴리이미드 기판 위에 동시진공증발법으로 제조한 (Ag,Cu)(In,Ga)Se2 박막을 이용하여 19.
그래서 태양광에 여기된 전자들은 깊은 notch 영역에 트랩(trap)되어 재결합이 증가하는 경향을 보이게 된다. 이를 개선하기 위해서 기존의 3단계법에서 In과 Ga의 플럭스를 좀더 세분화하여 제어한 결과, 저온에서 증착된 CIGS 박막 내의 Ga 분포는 고온공정에서 제조된 Ga 분포와 유사하게 되었다. 이런 저온 CIGS 박막 제조공정에 의해서 태양전지의 효율이 18% 이상 달성되었다.

후속연구

이를 극복하기 위한 방법으로 태양전지를 건물의 모든 유효 공간인 지붕, 벽면, 그리고 창호 등에 설치하는 방식이 필요할 것으로 생각된다(그림 1). 또한 건물의 다양한 환경에 대응하기 위해서는 태양전지가 플렉서블(flexible)한 특성을 가지는 것이 유리할 것으로 판단된다. 그래서 최근까지플렉서블 박막태양전지를 BIPV용으로 적용하는 다양한 시도가 이루어지고 있다.
앞으로 정부의 신재생에너지3020 계획을 성공적으로 이행하기 위해서는 태양광 발전의 수요는 필연적으로 증가할 것으로 기대된다. 이와 더불어 태양전지 시장이 대용량 발전 중심에서 단위 건물의 제로에너지화 혹은 분산발전으로 나아가고 있다는 점을 주목한다면, BIPV와 같이 건물의 외부에 부착되는 태양전지의 시장 또한 점진적으로 성장할 것으로 판단된다.
이에 적합한 소재로는 Cu(In,Ga)Se2(CIGS), CdTe, Si 박막, 유기, 유무기 페로브스카이트 등이 보고되고 있다. 이 중 태양전지의 에너지변환 효율, 친환경성, 안정성 등을 종합적으로 고려하였을 때, 현재 CIGS가 BIPV용 플렉서블 박막태양전지를 위한 소재로 최적일 것으로 판단된다. CIGS 박막태양전지는 소면적에서 22% 이상 그리고 서브모듈에서는 18% 이상의 높은 에너지변환 효율을 보일 뿐만 아니라 소자의 장기안정성도 검증되었다.
5°C 이하로 제한하도록 합의하였다. 이런 파리협정을 성공적으로 이행하기 위해서는 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지원에 대한 요구가 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상된다. 다양한 신재생에너지 기술 중 태양광발전은 햇빛을 받으면 반도체의 광기전력효과(Photovoltaic effect)에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용하는 발전기술로 풍력, 지열 등과 달리 설치의 제약이 비교적 적은 편이다.
그림 3의 CIGS 박막 태양전지 실증 테스트 결과에 따르면, CIGS 박막태양전지는 옥외의 열악한 환경(예를 들어, 사막과 같은 높은 온도, 구름이 많고 태양빛이 약한 날씨 등)에서 결정질 실리콘 태양전지에 비해 안정적이면서 더 높은 발전량을 보이는 것으로 알려져 있다. 이와 더불어 플렉서블 CIGS 박막태양전지는 대량생산이 가능한 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 적용이 가능하여 태양전지의 제조단가를 더욱 줄일 수 있을 것으로 기대도 된다. 따라서 본 글에서는 BIPV용으로 주목을 받고 있는 플렉서블 CIGS 태양전지의 기술과 국내외 연구개발 동향과 향후전망에 대해서 살펴보고자 한다.
6GW의 신규 태양광발전시스템이 설치되었고 국내에서도 한국에너지공단 신재생에너지센터 통계치에 따르면 2016년에는 약 904MW의 신규 태양광발전 시스템이 설치되었다. 향후 현정부의 주요에너지 정책 중 하나인 신재생에너지3020을 고려한다면, 2 GW 이상의 규모로 더욱 확대될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광발전 시스템는 어떻게 구분되는가?	태양전지를 이용하는 태양광발전 시스템은 대규모의 태양광발전소급과 가정의 지붕 혹은 건물의 외벽에 부착되는 건물 일체형 태양전지(Building Integrated Photovoltaics: BIPV)로 크게 구분될 수 있다. 최근에는 공공 및 민간 건물의 제로에너지화를 위한 방안으로 BIPV와 같은 태양광발전 시스템이 적극적으로 사용되고 있다.
	태양광발전의 특징은 무엇인가?	이런 파리협정을 성공적으로 이행하기 위해서는 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지원에 대한 요구가 앞으로 더욱 증가할 것으로 예상된다. 다양한 신재생에너지 기술 중 태양광발전은 햇빛을 받으면 반도체의 광기전력효과(Photovoltaic effect)에 의해 전기를 발생하는 태양전지를 이용하는 발전기술로 풍력, 지열 등과 달리 설치의 제약이 비교적 적은 편이다. 그래서 태양광발전 시스템의 신규 설치량은 그림 1에 나타난 것처럼 매년 급속한 성장세를 보이고 있다.
	BIPV로 설치된 태양전지는 어떤 특징이 있다고 알려져있는가?	BIPV로 설치된 태양전지는 태양광의 입사각 및 세기 그리고 그림자 등에 의해서 옥외에서는 발전량이 크게 영향을 받게 된다. 또한 태양광 소재에 따라서도 발전에 불리한 환경에서는 실제 발전량이 큰 폭으로 감소하게 된다고 알려져 있다. 그림 3의 CIGS 박막 태양전지 실증 테스트 결과에 따르면, CIGS 박막태양전지는 옥외의 열악한 환경(예를 들어, 사막과 같은 높은 온도, 구름이 많고 태양빛이 약한 날씨 등)에서 결정질 실리콘 태양전지에 비해 안정적이면서 더 높은 발전량을 보이는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (18)

"Global Market Outlook for Solar Power 2017-2021", Solar Power Europe, 2017.
"BIPV Technologies and Markets: 2015-2022", N-tech Research Report, 2015.
"2016 신재생에너지백서", 한국에너지공단 신재생에너지센터, 2017.
조준식, "저비용 고효율 플렉서블 CIGS 박막태양전지 제조기술", 세라믹코리아, 2017, 11, 54.
D. Abou-Ras, S. Wagner, B.J. Stanbery, H.-W. Schock, R. Scheer, L. Stolt, S. Siebentritt, D. Lincot, C. Eberspacher, K. Kushiya, "Innovation highway: Breakthrough milestones and key developments in chalcopyrite photovoltaics from a retrospective viewpoint", Thin Solid Films, 2017, 663, 2.
A.M. Gabor, J.R. Tuttle, M.H. Bode, A. Franz, A.L. Tennant, M.A. Contreras, R. Noufi, D.G. Jensen, A.M. Hermann, "Band-gap engineering in $Cu(In,Ga)Se_2$ thin films grown from $(In,Ga)_2Se_3$ precursors", Sol. Energy Mater. & Sol. Cells, 1996, 41/42, 247.

상세보기
T. Kato, " $Cu(In,Ga)(Se,S)_2$ solar cell research in Solar Frontier: Progress and current status", Jap J. Appl. Phys., 2017, 56, 04CA2.
P. M. P. Salome, H. Rodriguez-Alvarez, S. Sadewasser, Sol. Energy Mater. & Sol. Cells, 2015, 143, 9.

상세보기
P. Jackson, R. Wuerz, D. Hariskos, E. Lotter, W. Witte, M. Powalla, "Effects of heavy alkali elements in $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells with efficiencies up to 22.6%", Phys. Status Solidi RRL, 2016, 8, 583.
A. Chirila, S. Buecheler, F. Pianezzi, P. Bloesch, C. Gretener1, A. R. Uhl, C Fella, L. Kranz, J Perrenoud, S. Seyrling, R. Verma, S Nishiwaki, Y. E. Romanyuk, G. Bilger, A. N. Tiwari, "Highly efficient $Cu(In,Ga)Se_2$ solar cells grown on flexible polymer films", Nat. Mater., 2011, 10, 857.

상세보기
A. Chirila, P. Reinhard, F. Pianezzi, P. Bloesch, A.R. Uhl, C. Fella, L. Kranz, D. Keller, C. Gretener, H. Hagendorfer, "Potassium-induced surface modification of $Cu(In,Ga)Se_2$ thin films for high-efficiency solar cells", Nat. Mater., 2013, 12, 1107.

상세보기
http://www.solar-frontier.com
http://solopower.com/
http://www. globalsolar.com/
http://www.ascentsolar.com/
http://miasole.com/
https://flisom.com/
http://www.romag.co.uk/solar/building-integrated-pv/

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