장효식 요업(세라믹)기술원 선임연구원

1. 태양전지
화석연료의 높은 대외 의존도 및 막대한 에너지 수입에 따른 무역수지악화의 해소와 함께 향후 지속적인 개발에 필요한 에너지원의 확보가 오래전부터 국가적인 문제로 인식되어 왔으며, 앞으로 새로운 에너지원의 확보가 국가의 흥망성쇠를 결정할 수 있을 정도로 에너지의 중요성이 증대되고 있다. 경제적인 측면과 더불어 중시되는 환경적인 측면으로 지구 온난화의 위협 및 기후변화협약으로  세계적으로 추진되고 있는 각종 환경규제 및 관련규약은 제품생산에 있어서 온실가스의 배출량도 최소화하도록 유도하고 있어 에너지 다소비국 중에 하나인 우리나라로서는 국가경쟁력 향상과 에너지 자원의 고갈 대비를 위해 신재생 에너지원의 독자적인 개발이 절실히 요구되고 있는 상황이다.
신재생에너지란 태양에너지, 풍력, 연료전지, 바이오에너지 등 온실가스를 미량 배출(CO2 배출량이 약 3000kg/100Mh 이하)하는 청정에너지원을 말하는데, 2004년에 전체 에너지 중 신재생에너지 비중은 13% 수준에 불과하지만 환경위기에 대한 세계적인 공감대 형성과 정부차원의 적극적 지원 등에 힘입어 2020년에 전체 에너지의 35%까지 증가할 것으로 추정되고 있다. 신재생에너지 중에 태양에너지는 무한하고 가장 에너지원의 크기가 크며, 원자력 발전과 같은 위험 요소도 없어서 가장 이상적인 대체 에너지로 여겨져서 태양전지는 산업화 가능성이 가장 높은 대체에너지원으로 부각되고 있다.
포톤인터내셔널의 올해 3월 보고서에 따르면 중국이 지난해 1.2GW 생산량과 28.1% 점유율로 세계 1위에 올라섰으며, 2006년 1위였던 일본이 932MW 생산량과 21.8%점유율로 2위, 독일이 875.6MW 생산량과 20.5% 점유율로 3위를 차지하고 있고 대만, 미국이 그 뒤를 잇고 있지만 한국은 4월 현재 생산능력은 약 100MW수준으로 극히 미미한 수준이다. 
2. 태양전지 산업
유럽과 일본에서 일찌감치 시작된 태양광 산업은 에너지에 관심을 가지고 있는 많은 기업들이 진출하거나 진출을 검토하고 있고, 연구력이 집중되고 있다.
태양전지는 결정질 실리콘, 박막형 실리콘, CIGS계 박막, 염료감응형, Ⅲ-Ⅴ족계열, 하이브리드, 유기 태양전지 등 종류가 다양하나, 반도체 디스플레이와 같은 실리콘 산업의 발달로 결정질 실리콘 태양전지가 태양전지 산업의 대부분(90%이상)을 차지하고 있다. 또한, 태양전지 업체는 반도체, LCD 산업을 기반으로 제3의 실리콘 어플리케이션산업으로 활황을 맞고 있으며 현재 순이익율이 10%대에 이르고 있다. 하지만, 태양전지의 보급 확대를 위하여 저가 고효율화가 필요하다.
현재 태양전지의 모든 역량은 저가화와 고효율화로 집중되고 있다. 최근 태양광 산업의 폭발적인 성장은 실리콘 원자재의 수급불안과 가격 폭등을 야기하고 있어, 태양전지 원가의 60%를 구성하고 있는 실리콘재료 원가비중을 낮추기 위해 웨이퍼의 박형화, 저가 대량의 잉곳 성장과 박막형 실리콘 태양전지 등에 많은 연구가 행하여지고 있다.
실제로, 태양전지 생산량에서 줄곳 선두를 달리던 샤프는 주원료인 실리콘 수급에 차질을 빚으며 생산라인의 절반가량을 가동하지 못해, 올 해 독일의 큐셀에 선두자리를 내주었고 이에 대응하여 실리콘 소요량이 적은 박막형 실리콘 태양전지에 투자를 집중하고 있다. 한편, 실리콘 태양전지의 구조 개선과 Si wafer/Ge/GaAs 전지구조는 고효율화의 대표적인 예라 할 수 있다. 앞에서 언급된 태양전지 종류이외에 저가 고효율화를 위해 나노구조를 갖는 차세대 태양전지들이 연구되고 있으며, 그중에 실리콘을 이용한 차세대 나노구조 태양전지의 기술에 대하여 소개하고자 한다.
3. 나노구조 실리콘 태양전지의 출현 
실리콘의 산업과 기반기술은 생각 이상으로 대단한 생명력을 가지고 있어 실리콘 산업은 계속 이어지고 있다.
실리콘 반도체는 30여 년 전부터 향후 10년 뒤에 끝이 난다고 계속 예측을 해왔으나 꾸준한 성장과 함께 계속 진행되어 왔기 때문에, 태양전지 역시 실리콘 태양전지의 역사는 계속이어 질 것이며 여러 구조 형태로 발전될 것으로 예상된다.
실리콘 태양전지는 반도체나 LCD기술처럼 다수의 참여가 기술 혁신을 가져와 결국에는 나노구조의 태양전지 시대를 맞이할 것이다.
벌크 실리콘은 간접 밴드갭 물질로서 전자가 두 개의 에너지 준위 사이에서 천이하기 위해서는 운동량의 변화가 필수적이어서 광전소자 측면에서 볼 때 효율성이 낮으나 실리콘의 Bohr 직경인 4nm 이하 크기로 될 때 양자 크기 효과로 인해 50~60%의 양자 효율을 갖게 되어 벌크 상태와 비교하여 10000배 이상의 효율을 나타낸다.
나노구조 실리콘 태양전지는 비용과 크기를 줄일 수 있고 광흡수와 전하수집 능력 등이 실리콘 벌크보다 우수한 특성을 나타내어 향후 연구를 통한 기술 발전이 기대되고 있다. 실리콘 나노구조 태양전지는 크게 나노선을 이용한 것과 양자점을 이용한 전지구조로 나눌 수 있으며, 추후에 이런 기술을 바탕으로 결정형과 박막형태의 융합 형태로 발전될 것으로 예측된다. 실리콘 양자점을 이용한 태양전지구조는 호주의 UNSW가 가장 활발하게 연구하고 있으며, 일본의 동경공대(TIT), 독일, 프랑스에서도 많은 연구가 진행 중이다.
나노선을 이용한 실리콘 나노태양전지는 미국과 유럽에서 연구를 통해 가능성이 보고되어지고 있다.
나노물질이나 나노구조를 만들기 위해서 다양한 기술들이 개발되어 왔는데, 이러한 합성기술을 성장매체에 따라서 분류하면 첫째, 나노입자 합성에 이용되는 레이저 열분해(Laser ablation)나 원자층 증착법(Atomic layer deposition)등을 포함하는 증기상 입자성장법과 둘째, 나노입자 형성을 위한 콜로이드방법과 단층 자기결합기술 등이 포함되는 액상성장법이 있고 셋째, 금속 나노입자를 만들기 위한 상분리방법과 같은 고상에서의 입자제조법이  있으며 넷째, 기상-액상-고상(VLS)에서의 나노와이서 성장과 같은 하이브리드 방법으로 나눌 수 있다. 

4. 실리콘 나노선 태양전지 기술 동향  
독일의 Institute of Photonic Technology에서는 Au dot 배열을 통한 thermal CVD VLS공정을 이용하여 10nm에서 수백nm 직경을 가진 수 um 길이의 n형과 p형의 나노선을 제작[그림1]하여 낮은 광반사율과 광투과율의 특성을 나타내어 보다 완벽한 광흡수구조를 보여주었다[그림2].
실리콘 나노와이어는 <111> p형 웨이퍼와 borosilicate유리기판, 그리고 유리기판위의 다결정 실리콘위에 준비되었고 Au는 0.5~2nm 두께로 evaporation에 의해 증착된 후, 진공 쳄버(10-7 mbar)에서 580도로 temper시키고, 500도 0.5~5mbar에서 silane/Ar 또는 silane/He mixture를 1:1~1:5로 공급하여 100 nm/min이상의 증착속도로 나노선이 성장되었다. n형과 p형은 각각 0.01%~0.1%의  Ph3와 B2H6를 silane에 더하여 도핑하였다.
또 다른 형태의 나노선 태양전지는 나노선으로 유명한 하버드대의 Lieber그룹에서 연구한 동축(coaxial) 실리콘 나노선 구조이다. pin접합 동축 실리콘 나노선 구조는 전하수집(carrier collection)의 향상과 나노구조가 나타내는 낮은 안정성(stability)을 향상 시킬 수 있다고 nature에 발표하였다. nanocluster-catalysed VLS방법을 이용하여 단결정 p-core 실리콘 나노선을 합성한 후, CVD를 이용하여 i층과 n층 나노결정 실리콘 쉘(shell)을 증착하였다. 이 때, 실리콘 나노 코어(core)의 축연장(axial elongation)을 방지하기 위하여 core성장 조건보다 낮은 기압과 높은 온도에서 쉘을 성장시켰으며 core/shell은 280~360nm의 직경을 나타내었다.
나노선을 PE(Plasma enhanced)-CVD를 이용하여 SiO2로 passivation 시킨 후, ebeam 리소그래피와 wet 에칭, evaporation을 사용하여 p-core와 n-shell의 선택적 접촉(contact)을 제작할 수 있었다[그림3]. 이렇게 형성된 나노선 태양전지는 Fill Factor 55%와 3.4%의 변환효율을 얻었으며 실리콘 나노선 길이 증가에 따라 Isc(short-circuit current)가 증가되었다[그림4].
이는 개별 나노선에 대한 결과로 나노선의 모든 광전류를 함께 수집한다면 더 높은 변환효율을 얻을 수 있을 것이다.
본 요업기술원 이천분원에서는 헤테로 나노선구조에 조성조절을 하는 axially composition-controlled SiGe 나노선을 이용하여 파장별 흡수능력을 최대화 시키는 방법과 셀 passivation[그림4] 등에 관한 연구를 시도하고 있다.
5. 실리콘 양자점 태양전지 기술 동향
실리콘 양자점을 이용한 태양전지는 실리콘 웨이퍼위에 초격자구조층을 형성하는 방법과 tandem구조에서의 접합이나 i층에 적용하는 방법 등이 있으며 [그림5] 이를 기반으로 여러 형태의 구조와 변형 등을 통한 차세대 태양전지 구조가 연구되고 있다. 이 중에 가장 활발히 연구하고 있는 호주의 UNSW의 결과 일부를 소개한다. 초격자(superlattice)구조는 이미 발광 소자에 적용되고 있으며 한 예로 Er도핑 SiO2/Si 초격자구조를 들 수 있다. 태양전지의 초격자 구조는 이와 비슷한 구조로 SiO2나 SiNx 또는 SiC의 절연물질층에 embedded 실리콘 나노결정을 형성 시키는 것이다. 초격자구조는 스퍼터링을 이용하여 SiO2층과 Si-rich SiO층을 쌓은 후, 1100도에서 열처리하여 나노결정을 형성시킨다. 나노결정의 크기는 Si-rich층의 두께에 의해 결정된다. 나노결정의 크기에 따라서 밴드갭이 조절되고 파장대역도 변화되면서 흡수 능력을 높일 수 있다[그림6]. 광전류의 전도도는 절연물질층의 두께에 영향을 받으며, 조성양론적(stoichiometry) SiO2층보다 SiOx층을 형성 하는 것이 전하 이동을 향상시키는 것으로 보고되었다. 일반적으로 양자점계의 상태밀도는 소자의 특성에 영향을 주는데 양자우물보다는 양자점이 온도에 덜 민감하여 양자점 형태로 만드는 것이 온도의존성이 적게 된다. 초격자구조층의 두께를 달리하여 양자효율을 조절하고 이를 바탕으로 셀 변환효율이 10.5%정도까지 달성하였고, 공정변수의 최적화 등을 통해 조만간 더 높은 변환효율을 얻을 것으로 예측되어진다.
tandem형의 실리콘 양자점 태양전지 효율은 UNSW의 M.A Green에 의한 이론적 계산에 의하면 diffuse/series connected 4 tandem일 경우 52.5%, direct/series connected 6 tandem일 경우 73.4%라는 고효율을 얻을 수 있을 것으로 예측되었다.
이렇듯 신개념의 저가 고효율셀들의 꾸준한 개발로 이론적 효율에 근접하도록 노력하고 있다.

6. 나노구조 실리콘 태양전지 전망
나노구조의 실리콘태양전지는 실리콘 재료 소모가 결정질 실리콘 태양전지보다 훨씬 적어 원가 절감을 할 수 있으며, 나노 크기 조절을 통한 양자효과와 밴드갭 엔지니어링 그리고, Ge 조성조절 헤테로 나노선등을 이용한 밴드갭 조절등 다양한 접합과 융합기술 등을 통하여 이상적인 광흡수 구조를 형성할 것이다. 아직 기초적인 연구 단계에 머무르고 있고 넘어야할 기술적인 장벽들이 많이 남아있지만 고효율화로 지향할 수 있는 그 가능성들을 보여주고 있어 차세대 태양전지로의 개발이 기대된다. 고효율의 태양전지를 제작하기 위하여서는 나노구조의 밀도/직경분포/방향 등의 광학적 특성 최적화와 나노구조의 적층화 방법, photoconductivity 증가 방법, 전극기술, 셀 패시베이션 기술 등이 함께 발전되어야 지금의 낮은 셀변환효율을 극복할 수 있을 것이다.
태양전지 산업은 자생적 시장창출이 어렵고 정부 지원규모에 의해 시장이 형성되기 때문에, 독자적인 나노구조 태양전지 개발과 기술 경쟁력 확보를 위해서는 집중적인 지원으로 지속적인 단가 감소와 시장 확대가 필수적이다.

 
[1] G. Andra, et al., “Silicon Nanowires for Thin Films Solar Cells”, p.481, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 2007, Milan, Italy.
[2] Bozhi Tian, et al., “Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources”, Nature 449 (2007) 885.
[3] Zheng G. F., et al.,. “Synthesis and fabrication of highperformancen-type silicon nanowire transistors”, Adv. Mater. 16, (2004) 1890.
[4] Gavin Conibeer, et al., “Silicon nanostructures for third generation photovoltaic solar cells”, Thin Solid Films 511 (2006) 654.
[5] R. Rolver, et al., “Improved charge transport in Si/SiO2 multiple quantum wells for all silicon tandem solar cells using a new nanoporous barrier material”, p.548, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 2007, Milan, Italy.
[6]M.A. Green, et al., “Progress with Silicon-Based Tandem Cells using Silicon Quantum Dots in a Dielectric Matrix”, p.1, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 2007, Milan, Italy.
[7]E. C. Cho. et al., “Toward Silicon Quantum Dot Junction to Realize All-Silicon Tandem Solar Cells”, p.169, 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 2007, Milan, Italy.

그림 1. <111> Si wafer위에 CVD-VLS방법으로 형성된 나노선 어레이의 SEM사진과  5㎛두께의 나노선의 광반사도 특성

그림 2. pin동축 나노선 태양전지의 소자구조와 제작과정 도식도와 SEM사진

그림 3. pin 나노선 태양전지의 I-V특성과  Isc의 device-length 의존도

그림 4-1. 결정질 실리콘 태양전지의 passivation을 통한 셀 효율 향상 결과

그림 4-2. 양자점을 다양한 형태의 나노 태양전지 구조들
            (a)실리콘 tandem구조 (b)헤테로접합의 초격자구조

그림 5. 초격자 구조의 양자점 크기에 따른 밴드갭 변화와 파장별 PL (Photoluminescence)

그림 6. 초격자(superlattice)구조의 형태에 따른 양자 효율과 셀 변환효율

장효식
충남대학교 재료공학과 학사
광주과학기술원 신소재공학과 석사
광주과학기술원 신소재공학과 박사
하이닉스반도체 선임연구원
요업(세라믹)기술원 선임연구원