지금은 대면적 박막 태양전지의 대량생산 기술을 준비할 때다!

지금은 미래에 대한 준비로서 대면적 박막 태양전지의 대량생산 기술을 준비할 때다.

잘 알려진 바와 같이, 대면적 CdTe 박막 태양전지의 대량생산은 진공의 CdTe 증착장비를 개발하여 실현되었다. 이것이 우리가 알고 있는 VTD(Vapor Trans port Deposition) 기술이다.

증착공정 시 진공도는 수십Torr이며, 무엇보다 진공을 깨지 않고도 물질을 연속 주입하여 생산성을 획기적으로 향상시킨 기술이기에 대량생산에 성공하였다. 물론 대면적 P형 CIGS 박막의 대량생산용 증착기술은 ‘현재진행형’이다.

생산성 향상을 위한 공정기술 개발에 접근하는 방법

CIGS 박막의 대량생산을 위하여서는, 구리, 셀레니움과 같은 증착물질의 연속주입이 가능하여 진공을 깨지 않고 생산성이 향상되는 방향으로 공정기술의 개발에 접근해야 한다. CIGS의 경우는 CdTe의 경우보다 더욱 어렵다. 특히, CIGS의 공정 진공도는 고진공이므로 진공을 깨지 않고 물질을 대기압으로부터 주입하기는 매우 어렵다.

CoFED(Continuous Feed in Evapo ration Deposition) 기술은 대면적 CIGS 박막의 고속생산을 실현할 목적으로 개발되고 있다. CoFED 증발원은 사이드 소스가 양쪽에 위치하며, 중앙에는 기체의 분출이 하향 분사되도록 하는 하향 안내 가이드로 구성되어 있다. 사이드 소스의 용량은 가급적 1,000cc 이하로 제작되며, 금속기체의 인젝션이 가이드를 향하도록 구성된다. 또한 물질의 재충전이 필요할 시 사이드 소스는 가이드로부터 분리되어 게이트 밸브를 사용하여 증착부와 진공이 분리되므로, 진공을 깨지 않고도 물질을 재충전하게 되며, 동시에 이미 설치된 여분의 CoFED 증발원을 이용하여 증착을 연속으로 수행하므로, 연속 생산시간을 획기적으로 늘리게 된다. 연중 90일 이상의 생산증대 효과가 발생하게 되는 것이다.

고효율 대면적 CIGS 박막 태양전지의 대량생산을 위한 조건

CdS 박막의 증착코팅을 위하여 잘 알려진 CBD(Chemical Bath Deposition)방법은 대형화된 ‘Bath’내에 담긴 용액의 농도와 온도를 균일하게 유지하기가 어려워 대면적의 CdS 박막의 고속 생산이 곤란하다. 결국 이 방법을 사용하면 다량의 폐수가 발생하게 된다.

대면적의 N형 CdS층의 증착을 위하여, CSD(Chemical Surface Deposition) 방법을 활용하여 대면적의 기판에 습식 증착을 하면, 이러한 문제점을 모두 해결하게 된다. 합성된 용액을 다수개의 노즐을 통하여 기판에 균일하게 하향식으로 분사하고, 특수 덮개를 사용하여 코팅공정 시간 동안 유리기판상에 용액의 농도를 유지하게 되면, 용액은 표면장력에 의하여 기판의 표면상에 더욱 균일하게 분포한다. 기판은 적정한 온도로 가열되어 일정시간 CdS의 증착공정이 이루어지게 되며, 코팅을 위한 용액은 한번만 사용하므로 항상 일정한 농도조절이 가능하다. 사용하게 되는 용액도 CBD 방법보다 훨씬 적으며, 박막의 균일도를 더욱 향상하기 위한 목적으로 기판의 쉐이킹(Shaking) 기능을 수행하게 된다.

고효율의 대면적 CIGS 박막 태양전지의 대량생산이 성공하기 위해서는, 바로 지금, 신개념의 CoFED 증착공정 기술과 CSD 증착공정 기술이 필수적으로 개발되어야 한다.

<참고자료> 1. Energy Yield of Different Photovoltaic System Installed in Cyprus, 2. Performance measurement and monitoring of shadow effects on PV system, 23rd European solar energy conference and exhibition Valencia, spain, 3. Fast Deposition System and Method for Mass Production of Large Area Thin Film CIGS Solar Cells, US patent 2011, 4. Chemical Surface Deposition of Ultra-thin Semiconductors, US patent

황 창 훈 텔리오솔라 부사장

미국 오레곤(Oregon) 대학에서 물리학 박사학위를 받은 필자는 포항공대와 캐나다 레스브리지(Lethbridge) 대학 연구원을 거쳐 야스 초대 사장, 두산디앤디 연구소장 등을 역임했다.

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