미국 뉴욕주립 버팔로 대학교 전기·전자공학과에서 나노구조체 및 쇼트키 박막 태양전지에 대한 연구로 박사학위를 취득한 필자는 현재 한국기계연구원 나노융합기계연구본부에서 선임연구원으로 재직 중에 있다. 나노소재 및 기능성 나노구조물 형성을 통해 자외선 센서, 가스센서, 나노구조 태양전지에 대한 연구를 수행했으며, 현재는 대면적 상용화를 목표로 한 태양전지에 관한 연구 중에 있다.

태양전지는 광전소자(Photoelectric Device)의 한 종류이다(그림 1). 광전소자는 빛에너지와 전기에너지에 대한 상호 변환 장치를 말한다. 광전소자로는 디스플레이, 조명 등이 있으며, 전기에너지를 소모하면서 빛의 발생을 유도해 이용하는 수전발광(受電發光, Electric Energy Conversion to Light)이 대표적인 예이다. 이와 달리 태양전지는 입사하는 빛에너지를 전기에너지로 교환하는 광전소자인데, 현재의 기술로는 거의 유일한 수광발전(受光發電, Light Conversion to Electric Energy)을 할 수 있는 장치이다.

1839년 프랑스 물리학자인 에드먼드 베크렐(Alexandre-Edmond Becquerel)이 금속전극에 광량이 증가함에 따라 발생전압이 상승하는 것을 처음 발견했고, 이는 광전효과를 이용한 태양전지의 역사적인 시작이었다.

태양전지는 기본적으로 반도체 물질을 이용한 다이오드의 특성을 가진다. 전압과 전류의 상관관계를 가지며, 전자와 정공의 흐름을 제어하는 정류작용을 하게 된다. 모든 다이오드가 태양전지의 특성을 가지지는 않지만, 거의 모든 태양전지는 다이오드 특성을 가지고 있다. 그림 2에서 나타낸 것과 같이 태양전지는 이상적 다이오드에 병렬저항(RSH : Shunt Resistance)과 직렬저항(Rs : Series resistance) 성분을 가지게 된다. 이때, 병렬저항이 무한히 크면 이상적인 전압원으로 역할을 하게 된다.

그러나 실제에서는 전체저항 성분은 직렬성분과 병렬성분의 의존관계를 갖게 된다. 직렬저항이 크면 단락전류를 감소시키고, 병렬저항이 작으면 누설전류가 커지고 개방전압을 낮추게 된다. 이 두 가지 경우 모두 충실률에 영향을 미치게 되므로, 태양전지에서는 큰 병렬저항과 작은 직렬저항이 요구된다.

태양전지는 일반적인 광전소자와 다른 구간에서 구동한다. 즉 스위치, 광감지기, LED 등은 1사분면 혹은 3사분면에 작동하며, 전류와 전압의 곱(I×V)이 양(Positive)의 값을 나타내고, 즉 전력을 사용하게 된다. 이와 다르게 태양전지는 4사분면에서 구동하므로, 음(Negative)의 전력을 생산해 외부에 전기를 공급할 수 있다.

태양전지의 필요성

인류는 문명의 발달과 함께 기하급수적으로 에너지를 사용하고 있다. 이는 대부분 석유, 석탄 등 화석연료의 사용으로 충당해 왔는데, 몇 가지 중대한 문제를 내재하고 있다.

첫 번째가 대표적인 화석연료인 석유자원의 지역 편중성이다. 기술의 발달로 1970년대부터 2010년대인 지금까지도 석유의 가채기간이 30년으로 예측되고 있지만(혹자들은 그 이상을 예상), 언젠가 고갈된다는 것은 분명하다. 지역 편중성은 에너지 안보에 불안정을 일으킬 수 있다.

두 번째가 수요와 공급의 불균형과 석유 대기업들의 수급조절 등에 기인한 가격의 불안성이다. 그럼에도 불구하고 필자는 석유의 배럴당 가격이 150달러를 넘지 못할 것이라는 견해를 가지고 있으며 근거는 다음과 같다. 다행스럽게도 대체석유 자원(Heavy Oil)인 비튜먼(Bitumen, 캐나다, 베네수엘라), 오일셰일(Oil Shale, 미국), 오일샌드(Oil Sand, 캐나다, 러시아, 미국 등)가 있기 때문이다(그림 3). 이중 한 가지 예인 오일샌드는 모래와 석유가 혼합된 형태인데, 부존량은 3.6트릴리언배럴이며, 기존 석유매장량인 1.75트릴리언배럴의 두 배가 넘는다. 이러한 대체석유 자원은 배럴당 150달러 이상이면 경제성을 가지게 된다. 또한 이 모두가 고갈되더라도 석탄이 대신할 수 있으며, 액화기술은 배럴당 200달러면 상용화 될 수 있다. 또한, 석탄은 석유보다 지역적으로 균등하게 분포되어 있는 장점도 있다(참고자료 : <자원전쟁>, 영림카디널, 2008)

세 번째로는 가장 중요한 이슈인 환경에 대한 문제를 들 수 있다. 이산화탄소로 대표되는 온실가스에 관한 것인데, 시급하게는 온난화에 의해 빙하가 녹고 해수면 상승에 따른 해안지방 침수 등의 가시적 문제이다. 또한 2000년 이전의 300ppm 이하이던 이산화탄소는 현재 400ppm 초과를 눈앞에 두고 있으며, 이미 지구의 대기구성비율(Composition of Atmosphere)을 변화시켰다. 이러한 지속 증가는 인간이 호흡에 어려움을 겪게 되는 임계점인 500ppm도 위협하고 있다. 다행스럽게도 우리는 자연의 변화를 심각히 받아들이고, 편리성 때문에 중독된 화석연료를 대체할 에너지자원에 대한 기술 개발로 대비를 강구하고 있다.

에미터 도핑 컨트롤 기법

에미터(Emitter)는 베이스 층과 접합해 전계를 발생시키고, 입사광에 의해 발생한 전자의 이동통로이며, 전면전극과 연결된다. 도핑의 정도에 따라 태양전지의 효율에 크게 영향을 미치게 된다.

에미터층을 높게 도핑(Heavy Doping) 하면, 전면전극과 접촉저항을 낮게 할 수 있으며, 전계를 크게 발생시키는 장점이 있다. 그러나 이러한 접근은 많은 불순물 주입에 따라 입사광에 의해 발생한 전자를 쉽게 잃어버리는 재결합의 문제가 있다.

반면에 낮은 도핑(Light Doping)은 그 반대현상이 발생한다. 즉 재결합은 크게 줄일 수 있지만, 전면전극과의 저항이 크게 되고 발생하는 전류의 손실과 전계의 크기가 적게 형성되어 발생전압의 감소를 초래한다.

본 연구원에서는 투명전극(TCO : Transparent Conductive Oxide)을 이용해 상기에 제기된 문제를 해결하고 장점을 최적화하고자 했다. TCO 물질은 웨이퍼 형태인 1세대 태양전지에서는 흔히 사용되지 않고, 일본 산요(Sayno) 사의 HIT 셀에서처럼 선택적으로 이용된다. 그러나 박막형태인 2세대 태양전지 혹은 유기, 염료감응, 양자점, 나노소재 등과 같은 3세대 태양전지에서는 필수적으로 사용된다. 이는 거의 모든 광전소자에서 TCO를 사용하는 것처럼, 빛과 전기에너지의 교환에 적어도 한쪽은 빛에 대해 투명해야 하기 때문이다.

TCO는 투명하면서도 전도성이 우수한 장점을 가지고 있다. 우리는 낮게 도핑된 에미터층에 TCO 층을 적용해 접합저항을 감소시키면서도 재결합률이 낮은, 따라서 효율이 향상되는 기법을 개발했다1).

그림 5에서 보는 것과 같이, TCO를 이용한 낮은 도핑 에미터의 경우가 높은 도핑을 적용한 태양전지보다 높은 효율을 보였다. 이러한 점은 또 다른 장점인 입사광의 반사도 저감을 제공한다. 일반적인 실리콘 태양전지에서는 실리콘나이트라이드(SiNx) 층을 반사방지막으로 사용해 입사광의 반사도를 낮추어 준다.

TCO의 굴절률(Refractive Index : 빛의 휘어짐 정도)은 SiNx와 비슷하며, 그 대체물질로 사용이 가능하다. SiNx를 사용한 태양전지는 고온소성공정에서 Ag 결정화 문제를 발생시킬 수 있다. 이는 고온공정에서 Ag 미립자가 에미터층 깊숙이 침투해 전류흐름의 불균등을 초래하고, 결국 높은 저항과 단락 현상으로 태양전지의 효율을 크게 감소시키는 현상이다. 그러나 TCO 층은 Ag 결정화가 없으며, 고온공정에서도 안정하다. 한국기계연구원에서는 이러한 TCO 층을 이용한 에미터 컨트롤 기법을 통해 17%의 효율을 달성했으며, 계속 연구 중에 있다.

쇼트키 박막 태양전지

쇼트키 접합(Schottky Contact)은 금속과 반도체간의 접합에 의한 전계 발생을 이용한 태양전지이다. 금속과 반도체의 접합에는 두 가지 거동이 발생된다. 흔히 오믹 접합(Ohmic Contact)으로 불리는 경우에서는 저저항 특성을 이용한 경우이다. 이와는 다르게 쇼트키 접합에서는 반도체와 금속사이에 공핍층을 형성하며, 전계를 발생한다(그림 6).

얇은 두께의 쇼트키 금속을 투과한 빛은 공핍층에서 전자와 정공쌍을 발생하고, 전계에 의해 전자와 정공이 분리되어 전자는 반도체 방향으로, 정공은 금속방향으로 각각 이동한다. 이때 전자가 반도체 쪽에 축적되면 음전하를 띄게 되며 광전압을 발생시킨다.

한국기계연구원에서는 신개념의 쇼트키 태양전지를 연구 중에 있는데, 기존 박막 태양전지와 비교했을 때 P/N 도핑 과정과 후면전극 생성 공정을 생략할 수 있는 장점이 있다(그림 7).

다음 예는 쇼트키 태양전지 제작에 관한 것이다. 기판위에 니켈(Ni) 혹은 코발트(Co)를 촉매층으로 형성한다. 물리증착(Physical Vapor Deposition) 혹은 기상증착(Chemical Vapor Deposition) 방식으로 실리콘을 공급하며, 금속층과 반응해 실리사이드(NiSi2, CoSi2) 층을 형성하게 된다. 실리사이드는 저항이 낮기 때문에 후면전극으로 사용이 가능하다. 또한 이런 물질들은 실리콘과 격자상수가 비슷해 계속된 실리콘의 공급으로 실리사이드 층위에 결정질 실리콘이 성장하게 된다2)3). 그 위에 얇은 두께의 쇼트키 금속을 증착하게 되면 쇼트키 태양전지가 완성되는 것이다(그림 8). 한국기계연구원에서는 이와 관련한 특허를 보유하고 있다.

나노소재를 이용해 빛의 감응 표면적 향상 기법

나노의 단위는 10억분의 1미터이며, 밀리미터의 백만분의 1 크기이다. 나노소재를 이용하면 반응 표면적을 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이러한 점을 이용하면 동일한 면적에서 빛에 감응하는 면적이 넓어지는 효과를 기대할 수 있다. 예를 들어 수박의 부피에 커피콩이나 커피가루를 채우면 표면적은 수십에서 수백 배 증가한다(그림 9).  나노소재를 이용해서는 쉽게 수백만 배 이상의 표면적 증대를 가져올 수 있다. 이러한 점을 이용하면 단위면적당 발전량을 크게 할 수 있는 잠재력이 매우 크다.

그러나 이러한 나노소재 태양전지는 몇 가지 해결해야 하는 공정상의 문제가 있다. 첫 번째로는 작은 크기의 나노소재를 효과적으로 배열할 수 있어야 한다.

두 번째로는 전계 발생을 위해 극성을 부여하는 공정이 필요하다. 한국기계연구원에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 잉크젯 프린팅 방식을 이용한 나노소재 태양전지에 관한 연구를 선행했다(그림 10). 나노소재가 포함된 잉크를 대면적 배열방식인 잉크젯 프린팅을 이용해 넓은 면적에 배열했다4)5). 또한 나노크기의 작은 구조물 때문에 제한되는 도핑공정을 대신해서 이종금속(Hetero-metal Electrodes) 접합방식을 구현했다.

이러한 방식으로 나노소재를 이용한 이종금속 쇼트키 태양전지는 2009년 한국기계연구원에서 처음으로 발표했다4). 반도체 나노소재와 금속의 접합으로 쇼트키접합을 구현한 것으로, 단종금속접합(Homo-metal Junction)에서 발생하는 전계형성과 그의 상쇄현상을 해결하기 위한 것이다. 이종의 금속으로 반도체-금속 간의 전계를 양방향에서 형성하고 전자와 정공의 흐름을 동일방향으로 일치시켜서 캐리어 흐름을 효과적으로 제어할 수 있다. 이 기술은 미래기술로서의 가치가 높으며 국내외 특허 출원 및 등록이 완료되었다.

복합 태양전지 구성 기술

일반적으로 태양전지를 구현하기 위해서는 전계 발생이 필요하다. 이러한 전계는 도핑공정을 통한 P/N 접합 혹은 금속과 반도체간의 쇼트키 접합을 통해서 구현 가능하다. 한국기계연구원에서는 이 두 가지 형태를 이용해 복합 태양전지에 관한 연구를 진행하고 있다(그림 11). 이 방식을 이용하면 P/N 태양전지와 쇼트키 태양전지에서 발생하는 전류와 전압을 더한 상태로 기존의 태양전지 제작 방식에 적용이 가능하며, 효율 향상에 대한 효과도 탁월하다. 이 기술은 국내등록이 완료되었으며 국외출원 중에 있다.

나노구조 태양전지

태양전지의 성능을 향상하기 위해서 나노구조 태양전지가 전 세계적으로 급속히 진행되고 있다. 램버시안 빛 포획(Lambertian Light Trapping)에 따르면, 광반응층이 이상적인 굴곡을 가질 경우 빛의 경로가 크게 향상될 수 있다. 실리콘의 경우 대략 50배 정도의 증대를 가져올 수 있으므로, 기존의 200㎛ 정도의 실리콘을 1/100 정도의 두께인 2~3㎛ 정도로 줄일 수 있다. 이는 적은 실리콘 소모량으로 기존 웨이퍼 형태의 태양전지만큼, 혹은 그 이상 성능을 발휘할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 또한 나노구조체는 입사광의 반사율을 급격히 낮추어 광반응층에서 이용할 수 있는 빛의 양이 증대한다6).

그러나 해결해야 하는 문제점은 다음과 같다. 첫 번째로 나노구조체 제작에서 발생하는 표면 결함은 빛에 의해 발생한 광캐리어의 생존시간을 급격히 저해하고 큰 재결합 손실을 발생시킨다. 이에 따라 태양전지의 효율 향상을 크게 저하시키며, 나노구조체에 의해 생기는 빛의 이득(이동경로 증대 및 반사율 저감)을 전기적으로 완전히 구현하지 못하게 된다. 현재 보고된 가장 높은 태양전지의 효율이 10% 초반이다(그림 12).

두 번째로 공정의 비용과 크기의 제한을 들 수 있다. 나노소재에서 전계 형성을 위해서 사용되는 다중 도핑공정, 전자빔 식각, 혹은 자외선 식각 방법은 상용화 기술에 적용하기에는 큰 제한이 있다.

한국기계연구원에서는 건식각 방식을 이용해 최고효율 15.8%를 달성했다. 이는 기존의 나노구조 태양전지가 가지고 있는 광학적 이득을 전기적으로 구현하지 못하는 한계를 극복할 수 있음을 제시하는 결과이다. 본 기술의 장점은 보편적인 마스크 작업 방식을 이용해 대면적인 6인치 웨이퍼(그림 13)에 구현 가능한 점을 들 수 있다. 이 결과는 학계 보고를 준비 중이며, 또한 이론 효율인 28%에 근접하기 위한 지속적인 연구를 진행 중에 있다7).

미래 에너지를 위한 패러다임의 변화

화석연료는 산업발전에 큰 기여를 했다. 특히 석유는 이동의 편리성 때문에 널리 사용되어 왔다. 이러한 점은 인류가 화석연료에 크게 중독되고 또한, 남용하는 부작용을 가져왔다. 그 결과 후손에게 남겨줄 자원의 고갈화와 심각한 지구온난화의 문제 등을 야기했다. 태양전지는 이러한 부정적이면서도 소모적 에너지 이용의 패러다임을 바꿀 수 있는 가능성이 매우 높다.

여전히 태양전지를 이용한 대량 에너지 생산에 대한 비용이 걸림돌이 되고 있다. 그러나 가까운 미래에 비용에서 효과적인 태양전지의 개발을 통해 이를 극복할 수 있을 것이라 예상된다. 또한 최근에 일어난 핵에너지 등의 위험성은 인류에 큰 경각심을 불러 일으켰다.

이제 우리에게는 스스로에게 되물어야 할 이슈가 있다. 비용을 더 지불하더라도 안전한 에너지를 원하는지, 혹은 단지 저렴한 에너지를 사용할 것인지에 대해서 말이다. 우리는 온도가 서서히 올라가는 수조에서의 개구리와는 다른 결정을 내리고, 행동할 수 있을 것이다.

참고 자료

1) Mingeon Kim, Joondong Kim, Hyunyub Kim, Yun Chang Park, Kyungyul Ryu, Junsin Yi, ‘Emitter controlled SiNx-free crystalline Si solar cells with a transparent conducting oxide film’, Materials Letters (In press)

2) Joondong Kim, Chang-Soo Han, Yun Chang Park, and Wayne A. Anderson, ‘Three-dimensional crystalline Si film growth by the Ni silicide mediation’, Applied Physics Letters 92 043501 (2008)

3) Joondong Kim, Junsin Yi, and Wayne A. Anderson, ‘Metal silicide-templated growth of quality Si films for Schottky diodes’, Thin Solid Films 518, 6510 (2010).

4) Joondong Kim, Ju-Hyung Yun, Chang-Soo Han, Yong Jae Cho, Jeunghee Park, and Yun Chang Park, ‘Multiple Silicon Nanowires-embedded Schottky Solar Cells’, Applied Physics Letters 95 143112 (2009)

5) Ju-Hyung Yun, Yun Chang Park, Joondong Kim, Hak-Joo Lee, Wayne A Anderson and Jeunghee Park ‘Solution-processed germanium nanowirepositioned Schottky solar cells’, Nanoscale Research Letters 6, 287 (2011).

6) Sang-Won Jee, Seong-Je Park, Joondong Kim, Yun Chang Park, Jun-Hyuk Choi, Jun-Ho Jeong, and Jung-Ho Lee, ‘Efficient three-dimensional nanostructured Photoelectric device by Al-ZnO coating on lithography-free patterned Si nanopillars’, Applied Physics Letters, 99 053118 (2011).

7) Joondong Kim, Eunsongyi Lee, Minkyu Ju, Mingeon Kim, Junsin Yi, and Dong-Wook Kim, ‘Light boosting hole-arrayed Si photovoltaics for large scale utilization’, (In preparation)

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