실리콘 태양전지 기술과 산업

이준신 성균관대학교 정보통신공학부 교수
김경해 성균관대학교 정보통신공학부 교수

1. 서 론
태양전지 소자는 태양으로부터 에너지를 직접적으로 전기 에너지로 전환하는 소자이다.
이러한 태양전지는 Becquerel[1]이 처음으로 관찰하였다. 태양전지의 사용은 전해질(eletrolyte)속에 담긴 전극에 빛 조사 시 발생하는 광전효과(photovoltaic effect)를 처음으로 발견한 이후 관심을 가지기 시작하였다.
실제적으로 모든 광소자는 반도체 안의 pn 접합과 관련되어 있다. 이러한 반도체의 재료는 태양의 분광 중 많은 영역을 흡수 할 수 있다.
 재료의 흡수 특성에 따라서 빛이 표면에서 흡수되는 정도가 다르다. 빛이 흡수 될 때 전자(electron)와 정공(hole)이 생성된다. 생성된 전자와 정공은 접합 근처까지 이동하며 전기장에 의해 분리된다. 이때 전자와 정공의 재결합으로 pn 접합 부근까지 도달 못 하는 경우도 있다. 실리콘과 같이 빛의 흡수가 약한 경우 대부분의 반송자(carrier)들이 표면 근처에서 생성된다. 그러한 이유로 pn 접합은 표면과 거리가 가까워서 높은 전자 수집을 가져온다.
  현재의 태양전지의 기본 형태를 이루는 최초의 실리콘 태양전지는 1954년에 개발되어 4.5%의 변환 효율을 얻었고, 몇 달 후에 6%를 발표하였다.
1999년도의 24.7%가 발표되기까지 45년의 세월이 걸렸다. 중요한 하나의 기술이 개발되면 획기적으로 효율이 증가하고 또 다른 새로운 기술이 나오기까지 오랜 시간이 걸렸다. 즉 변환 효율이 계단형으로 발전되어 왔다.
단결정 실리콘 태양전지는 이제 거의 기술적인 한계에 온 것처럼 보이지만 이론적인 변환효율을 33%까지 볼 때 아직도 발전 가능성은 있다고 볼 수 있다.
2. 결정질 실리콘 태양전지의 발전
일본은 1999년에 63%의 놀랄만한 태양광 생산 성장을 보였다. 이러한 성장 요구에 발맞추어 많은 회사들이 새로운 태양전지와 모듈 생산에 박차를 가하고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 복잡한 제조공정과 높은 가격에도 불구하고 여전히 태양광 시장을 주도하고 있으며, 당분간도 계속 주도할 것이다.
이러한 이유는 자연에서 풍부하게 실리콘을 얻을 수 있으며, 높은 효율을 가지며 반영구적이기 때문이다. 그림 1은 재료에 따른 태양광 생산을 보여 주고 있다. 결정질 실리콘의 태양전지는 전체의 87.4%를 차지하고 있다.
 단결정 실리콘과 다결정 실리콘은 오랜 기간 동안 비슷한 생산량을 가져 왔으나 최근 다결정 실리콘은 단결정 실리콘 보다 더 많이 생산되고 있다. 결정질 실리콘 외에는 비정질 실리콘이 주도를 이루고 있으며, 실리콘 이외의 재료는 전체 시장의 1% 미만을 보이고 있다. 즉 실리콘을 이용한 태양광 생산은 전체의 99%이상을 차지한다.
태양전지에 있어서 고효율화는 중요한 목표이지만 양산을 위해서는 무엇보다도 태양전지의 가격을 낮추는 것이 또한 큰 과제이다. 상대적으로 고효율을 유지하면서도 가격을 낮추기 위하여 제조과정, 제조기술, 재료의 개발이 이루어져 왔다. 그 동안 양산용 태양전지는 대면적(적어도 100 cm2 이상) CZ 단결정 웨이퍼나 다결정 웨이퍼 기판을 바탕으로 생산되고 있다.
상업용 태양광 모듈의 시장가격은 3.5~4.5 $/Wp이다. 태양광 모듈 가격의 40~50%는 단결정이나 다결정의 기판 재료가 차지하고 있다. 이러한 이유로 값싸고 고품질의 태양전지용 다결정 실리콘 재료를 개발하는 것은 가격 저하의 핵심이 된다. 또한 기판의 면적을 늘리고 두께를 200㎛ 이하로 줄이는 것이 필요하다. 태양전지 제작비용과 모듈제작 비용은 전체 비용의 25~30% 정도를 차지하고 있다.
 일반적으로 상업용 결정질 실리콘의 태양전지의 효율은 13~16%를 차지한다. 태양전지의 효율은 제품의 가격에 있어서 직접적으로 영향 미치기 때문에 효율 개선을 위한 노력은 아주 중요하다. 앞으로 산업용 태양전지의 변환 효율의 목표는 단결정의 경우 18~20%이고 다결정의 경우 16~18%이다.
스크린 인쇄법은 태양전지의 공정에 이미 잘 확립되었을 뿐만 아니라 간단하고 연속공정이 가능하며 쉽게 조작할 수 있는 공정이다. 완전 자동 스크린 인쇄를 이용한 태양전지의 연속 공정 생산이 현재 쓰이고 있다.
그러나 양산을 위한 단결정 실리콘의 일반적인 효율은 아직도 16~17% 정도이다. 스크린 인쇄법을 향상시키기 위하여 특히 일본과 유럽에서 많은 노력을 기울이고 있다.[2] 스크린 인쇄의 발전은 주로 금속 페이스트(paste)의 발달과 미세 선폭과 밀접한 관련이 있다.
새로운 페이스트의 개발로 실리콘 산화막과 TiOx나 SiNx를 선택적으로 녹여 페이스트가 실리콘 벌크 안으로 깊에 침투하는 것을 방지한다. 이러한 페이스트의 개발을 통해 산화막이나 반사방지막을 ‘firing through’하여 패시베이션 하는 공정을 쉽게 할 수 있다. 또한 금속 스크린을 사용하여 50~60㎛의 선폭을 인쇄 할 수 있다. 선택적 에미터를 이용하여 고효율 태양전지를 만들 때 강하게 도핑 된 n++ 지역은 디지털 카메라가 부착 된 스크린 인쇄를 통해 자동적으로 인쇄된다.
스크린 인쇄의 스퀴지(squeegee)와 테이블(table)의 이동은 중앙 컴퓨터에 의해 제어 된다. 선택적 에미터를 가진 CZ-Si 태양전지는 18%의 효율을 나타낸다.[3] 그리고 대면적 다결정 실리콘은 17%를 나타낸다. 일반적인 CZ 대면적 태양전지는 양산용으로 17%의 효율을 갖고 있다.
또한 100 cm2 다결정 태양전에서 홈이 파여진 태양전지는 17%를 나타내고 있다.[4] 스크린 인쇄를 이용하여 15×15cm2 다결정 태양전지는 15.6%를 나타내고 있다.[5]
BCSC(Buried Contact Solar Cells)는 New South Wales 대학에서 개발하였다.[6] 작은 면적의 FZ 태양전지에서는 21.3%의 높은 효율을 보이고 있다.[5] 중요한 공정은 매우 두꺼운 열산화막의 성장이다. 이러한 산화막은 확산 마스크와 도금 마스크의 역할을 하는 동시에 표면 패시베이션을 이룬다. 열산화막 대신에 실리콘 질화막을 사용하여 표면의 반사를 줄이기도 한다.
양산의 응용에 있어서 고려해야 할 점도 있다. 즉, 높은 온도에서의 여러 공정들(950℃ 이상에서 전체 16시간 정도)과 고가의 장비는 양산의 응용에서 해결해야 할 문제점들이다.[7]  많은 BCSC가 있지만 오직 공정 단계를 줄인 샘플만이 양산에 적용되었다.[8] 17% 정도의 효율을 얻었다.
참고 문헌[9]에서는 간단한 BCSC 공정을 보여 주고 있다. 이러한 공정의 단순화의 목적은 기존의 스크린 인쇄를 이용한 태양전지의 생산 공정을 그대로 이용할 수 있기 때문이다. 고온에서의 열처리 공정 단계는 한 단계로 줄어야 한다.
EFG 실리콘은 단결정이나 다결정에 비하여 가격을 낮출 수 있는 중요한 장점이 있다. 저가의 요인은 CZ 실리콘이나 다결정 웨이퍼와 비교할 때 자르는 공정이 없기 때문이다. 그러나 EFG 재료는 많은 결정 결함 즉 결정입계나 twins, 그리고 dislocations을 가지고 있다.[10]
높은 기계적 스트레스와 평탄하지 않는 EFG 실리콘은 스크린 인쇄 시 깨지기 쉽다. EFG 벌크 재료의 많은 결함을 패시베이션하고 평탄하지 않은 표면에 금속 접촉을 개선하는 연구가 이루어져 왔다. EFG 태양전지 공정이 많이 발표 되지는 않았지만 참고 문헌 [6]에서 살펴 볼 수 있다.
주요 공정은 액체 인을 이용한 스프레이와  IR 벨트 퍼니스를 통한 확산공정과 수소 주입을 위한 암모니아 플라즈마 처리에 의한 PECVD 실리콘 질화막 반사방지막 형성과 pad 프린트를 이용하여 알루미늄을 증착하고 건조하는 것이다. 전 후면은 동시에 IR 퍼니스를 통해 열처리된다.
열처리 공정시 전면 접촉 금속은 PECVD 실리콘 질화막 층을 뚫고 좋은 접촉을 이룬다. 또한 알루미늄은 깊은 p+ BSF 층을 형성하고 동시에 실리콘 질화막 층으로부터 수소의 확산이 일어나고 좋은 벌크 패시베이션을 이룬다. 대면적 EFG 태양전지의 평균 효율은 14.3%을 보이고 있다.[11]
값싼 기판 위에 박막 실리콘(20~50㎛)이 올라가 있는 구조인 박막 실리콘 태양전지가 점점 성장하고 있다. 이와 같은 박막 구조는 기존의 태양전지와 비교하여 순도가 낮은 실리콘을 이용하는데 도움을 준다. 효과적인 빛 수집을 통해 기존의 벌크 실리콘 보다 더 높은 효율을 기대할 수 있다.[12]
가능성 있는 기판으로는 스텐레스 스틸, 흑연판, 세라믹, 심지어는 유리도 사용된다. 많은 증착 방법 중에서 주로 화학 기상법이나 LPE(liquid phase epitaxial) 성장법이 쓰인다. 아직까지는 초기 단계의 개발 상태이나 전도성이 있는 세라믹 기판 위에 다결정 실리콘을 증착하여 만든 태양전지는 양산단계의 시험 중에 있다.[13] 이러한 박막은 적당한 두께를 가진다. 또한 웨이퍼의 절단 공정이 필요 없기 때문에 공정 단축으로 인한 가격을 줄일 수 있다.
박막 결정질 실리콘 태양전지의 일반적인 공정은 세라믹 기판의 형성, 금속 장벽층 형성, 다결정 층 증착, 에미터 확산과 전극 접촉이다. 전도성의 세라믹 기판은 낮은 가격의 재료를 이용한다. 금속장벽층은 기판의 불순물이 실리콘 안으로 침투하는 것을 방지한다. 11.6%를 가진 675cm2 크기의 태양전지가 전시 되었다.[14] 현재 박막 결정질 실리콘 태양전지의 모듈은 시험 생산 중에 있다.[15]

3. 결론
태양광 발전시스템은 우주항공, 인공위성의 전력에서 섬이나 오지 등에 전력원으로 사용되어 왔고 근래에는 이미 일반주택, 아파트, 빌딩, 공장, 공공건물, 학교 등이 주요 응용시장으로 확대되고 있다. 일본, 중국, 스페인, 미국, 이탈리아, 독일, 오스트리아, 유럽공동체 등은 이미 태양전지를 이용한 발전용의 태양광주택 보급을 개시하였다. 
일본은 이미 10년 앞선 1994년부터 보급을 시작하여 왔다.  이러한 보급 프로그램을 주요인자로 하여 일본의 태양광 산업계는 세계적으로 기술과 생산 분야에서 모두 선두 위치를 점유하고 있다. 1994년에 보급설치를 시작하여 1995년  577세대의 개인 주택에 3 kilowatts 급을 보급하였으며, 1996년에는 1,866기의 태양광 시스템을 보급하였다. 이때 초기단계의 정부보조율은 시스템가의 50% 이상을 보조하였다.  2005년말 기준 일본에 보급된 태양광 주택수는 306,600가구를 넘고 있다.
독일은 태양광 주택 보급을 시작하여  ‘100,000 roof’ 프로그램을 2003년 중반까지 완성하고 2004년 보급안과 입법화 프로그램을 재추진하였다.다양한 정부의 프로그램과 특정 전시지역의 데모를 통한 지역의 장벽을 제거하는 요인이 되고 있다. 이러한 프로그램은 2010년까지 지속적으로 있을 것으로 예상되며 2010년 이후는 상용전력단가와 경쟁 가능한 와트당  60센트에 전력을 생산할 것으로 예측되고 있다.
과거와 현재까지의 태양전지분야를 살펴보면서, 우리는 태양광분야의 세계 추세를 예측할 수 있다. 현재 태양전지는 1세대에서 2세대 태양전지로 변화를 겪고 있는 과정으로서, 주요 재료는 현재 실리콘을 기반으로 한 태양전지가 시장을 주도하고 있으며 2세대에서도 물질변동 없이 두께를 얇게 하고 면적을 증가하는 방향으로 이동하여 향후 5년 이후 까지도 상당기간 지속할 것이다. 
현재 비교적 소면적인 (125mm×125mm) 태양전지는 대면적 (200mm×200mm이상)으로 대치될 것이다. 시장확대의 주요 원동력인 정부보조와 고급촉진 정책을 통해서 보다 높은 에너지 변환효율이 달성될 것이다. 
향후 5년 이내에 25% 사용 태양전지 양산이 될 것으로 예상되며, 모듈 수명은 35년 이상이 될 것으로 예상된다. 이러한 기술분야의 해결을 위해서는 산업계의 노력과 연구소와 학계가 공동으로 한계 극복을 위하여 꾸준히 노력하는 것이 중요하다. 지속적인 산,학,연 공동의 노력은 향후 새천년에 청정하고 지속가능한 발전을 하면서도 오염이 없는 환경을 구축하는데 기여할 것이다.

 
[1] A. E. Becquerel, Comt. Rend. Acad. Sci. 6, pp. 561, 1839.
[2] K. Shirasawa, H. Watanabe, Y. Inomata, K. Fukui, K. Okada, M. Takayaka, H. Watanabe, Proc. 12th European Photovoltaic Solar Energy Conf. Amsterdam, pp. 757-760, 1994.
[4] H. Nakaya, M. Nishida, Y. Takeda, S. Moriuchi, T. Tonegawa, T. Machida, T. Nunoi, Sol. Energy Mat. Sol. Cells 34, pp. 769-772, 1994.
[3] M. A. Green, S. R. Wenham and J. Zhao, Proc. 23rd IEEE Photovoltaic Specialists Conf, Louisville. pp. 8-13, 1993.
[5] T. Saitoh, R. Shimokawa, Y. hayashi, Proc. 22nd IEEE Photovoltaic Specialists Conf. Las Vegas, pp. 1026-1029, 1991.
[6] J. Amick, F. J. Bottari, J. I. Hanoka, US Patent 5,320,684, 1994.
[7] S. narayanan, J. H. Wohlgemuth, S.P. Roncin, J. M. Perry, Proc. 23rd. IEEE Photovoltaic Specialists Conf. Louisville, pp. 277-280, 1993.
[8] D. Jordan, J. P. Nagle, Progress in Photovoltaics, 2, pp. 171-176, 1994.
[9 S. R. Wenham and M. A. Green Progress in Photovoltaics 4, pp. 3-33, 1996.
[10] M. Kardauskas, Proc. 6th Workshop on the Role of Impurities and Defects in Silicon Device Processing, pp. 172-176, 1996.
[11] R. Hezel, W. Hoffmann, and K. Jager, Proc. 10th European Photovoltaic Solar Energy Conf. Lisbon, pp. 511, 1991.
[12] P. Campgell, and M. A. Green, IEEE Trans. Electron Dev. ED-33, pp. 234-239, 1986.
[13] A. M. Barnett, S. R. Collins, J. E. Cotter, D. H. Ford, R. B. Hll, C. L. Kendall, S. M. Lampo, and J. A. Rand Tech Digest 9th Int. PVSEC, pp. 247-248, 1996.
[14] D. H. Ford, A. M. Barnett, J. C. Checchi, S. R. Collins, R. B. hall, C. L. Kendall, S. M. Lampo, and J. A. Rand Tech. Digest 9th Int. PVSEC, pp. 247-248, 1996.
[15] A. E. Ingram, A. M. Barnett, J. E. Cotter, D. H. Ford, R. B. Hall, J. A. Rand, and C. J. Thomas, Proc. 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conf. Washington DC, pp. 477-480, 1996.

그림 1. 태양전지 재료별 세계 시장 점유율

이준신
1994 미국 뉴욕주립대학교 ECE 박사학위
현재 성균관대학교 정보통신공학부 교수

김경해
2005 성균관대학교 정보통신공학부 박사학위
현재 성균관대학교 BK21 연구 교수