Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(2)
태양광 전지의 기술 및 응용 시장 동향

박성은_한국에너지기술연구원 태양광 연구단 책임연구원

1. 태양전지의 기본 개요

화석 연료 사용에 따른 온실 가스 배출과 에너지 고갈 문제로 최근 신?재생 에너지에 대한 관심이 급격히 증가하였으며, 관련시장은 급격히 성장하고 있다. 신?재생에너지는 태양, 풍력, 바이오에너지 등 열 두 가지 분야의 청정 에너지를 말하는데, 그중 태양에너지는 연료가 불필요하고 반 영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다.  태양전지는 태양광 발전의 핵심 소자로서, 태양광을 직접 전기로 변환시키는 반도체 소자이다. [그림 1]과 같이 반도체의 pn접합으로 만든 태양전지에 반도체의 금지대폭 (Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력이 발생한다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.

그림 1. 태양전지 기본 구조

　현재 상업용 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 기판을 이용하여 만든 결정질 실리콘 태양전지가 전체 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 단결정은 순도가 높고 결정 결함 밀도가 낮은 고품위의 재료로써 당연히 높은 효율을 달성할 수 있으나 고가이며, 다결정은 상대적으로 저급한 재료에 저가 공정을 이용하여 생산비는 낮으나 효율이 낮다. 그러나 최근 단결정 실리콘 및 태양전지의 생산단가가 급격하게 낮아지면서 시장의 대부분이 단결정 실리콘을 사용한 태양전지로 재편되었다. 단결정 실리콘을 사용한 전지는 최고 변환효율이 약 26% (Kanenka)이며, 다결정 실리콘 태양전지의 경우 20.4% (Fraunhofer ISE)의 효율이 발표되었다.[1] 지상용으로 가장 널리 사용되고 있는 스크린 프린팅 태양전지는 표면 처리, pn접합, 반사방지막 형성, 스크린 프린팅 법으로 금속 전극 형성 등의 공정을 적용하여 생산되며, 그 효율은 p-type 단결정 실리콘 태양전지 약 23%, n-type 단결정 실리콘 태양전지 약 24% 정도이다. 그러나 지금까지 적용해온 구조와 공정으로는 기술적인 한계가 있어 더 이상의 높은 효율을 기대하기 어렵기 때문에 세계적으로도 다른 구조 및 공정 개발이 활발히 진행되고 있고 최근에는 실리콘 태양전지의 효율 한계 극복을 위한 비 실리콘 소재(ex perovskite)를 활용한 태양전지 혹은 실리콘과 탠덤(이중접합) 구조의 태양전지 연구개발이 한창이다. [그림 2]에 최근까지의 태양전지 기술개발 현황을 나타내었다.[2]

그림 2. 태양전지 효율 chart

2. 태양전지의 기술발전 동향 및 이슈

가. 공정 이슈
태양전지의 효율을 높이기 위해 필요한 기술을 설명하기 앞서 현재의 태양전지는 어떠한 컨셉으로 효율을 올리고 있는가를 볼 필요가 있다. 태양전지를 고효율화 하기 위한 design rule은 의외로 간단하게 설명될 수 있는데 이를 위해 우리가 흔히 이야기하는 diode equation에 대한 간단한 설명이 동반될 필요가 있지만 이를 간단하게 몇가지로 요약해서 설명하면 다음과 같다. 첫째, 광흡수를 최대한으로 만들어야 한다. 광흡수를 최대한으로 만들기 위해 한 연구는 2가지 정도로 볼 수 있는데 그중 한가지는 전면에 전극을 없애 전극으로부터 반사되는 손실을 줄이는 방법으로 흔히 후면전극형 태양전지를 보면 이러한 기술이 반영된 대표적인 사례로 들 수 있다.

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