박막형 태양전지 실시간 품질 모니터링 기술 개발

아르곤 가스로 박막 조성분석·불량률 실시간 체크

하 상 범 기자

광주과학기술원 기전공학부 정성호 교수와 김찬규 박사가 주도한 박막형 태양전지 실시간 품질 모니터링 기술 개발 연구는 미래창조과학부(이하 미래부)와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업의 지원으로 수행됐으며, 분석원자분광학 3월 14일자 표지논문으로 게재됐다.

유리나 플라스틱 기판 위에 얇은 막 형태의 전지를 붙여 만든 박막형 태양전지는 제조원가가 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 CIGS 박막 태양전지는 박막형 태양전지 가운데 가장 효율이 높다. 하지만 박막을 구성하는 물질의 조성 비율이나 첨가물의 비율에 따라 효율이 크게 좌우돼 박막의 화학적 조성을 일정하게 유지하기 위한 품질 및 공정제어가 절실한 과제로 요구되고 있다.

아르곤 가스 활용한 측정도 향상

기존의 방식인 샘플을 채취해 용매에 녹이는 전처리가 필요한 분석법의 경우 길게는 며칠이라는 긴 시간을 필요로 했다. 이 때문에 나노초 펄스 레이저를 박막표면에 발사해 광선이 표면에 부딪히면서 발생시키는 플라즈마를 분석하는 레이저유도붕괴분광분석 기술이 각광받게 됐다. 이 기술은 실시간으로 물질의 성분을 높은 정밀도와 민감도로 측정할 수 있게 해준다. 공기 중에서도 측정이 가능하며, 측정의 정밀도를 향상시키기 위해 아르곤이나 헬륨 같은 가스를 사용하기도 한다.

박막을 이루는 원소들의 성분비에 따라 표면에서 발생하는 플라즈마의 분광신호 크기가 달라지기 때문에 전처리 없이 1초 안에 성분분석이 가능하다. 그러나 레이저 광선의 열로 박막 표면이 녹으면서 기화가 일어나 박막 표면에 달 표면처럼 크레이터 형상이 발생하게 된다.

표면이 훼손되기 때문에 분광신호가 일정하지 않게 된다는 단점이 발생한다. 때문에 표면 훼손을 최소화하면서 분광신호의 안정성을 동시에 확보하는 것이 새로운 과제로 부각됐다.

연구팀은 1분당 25L의 아르곤 가스를 박막표면에 분사시켜 레이저를 이용한 성분조성의 실시간 분석법의 정확성을 크게 높였다. 아르곤 가스는 플라즈마의 온도와 전자밀도를 상승시키기 때문에 플라즈마 분광신호의 세기를 증가시켜 측정의 정확도를 높인다.

연구팀은 레이저유도붕괴분광분석을 실행할 때 아르곤 가스를 시험 샘플의 표면과 평행한 방향으로 불어주면서 측정할 경우 플라즈마 분광신호의 세기가 크게 증가하고, 레이저가 조사된 표면의 균일성이 향상돼 측정오차가 크게 감소한다는 사실을 발견했다.

뿐만 아니라 아르곤 가스 유동이 박막 표면의 압력을 낮춰 레이저 조사시 용융이나 기화로 생겨난 기포를 제거하는 것을 알아냈다. 박막 표면이 일정하게 유지돼 분광신호도 일관성을 가지게 됐다. 이번 연구에서는 위와 같은 방법을 통해 신호의 편차가 2% 이내인 수준에서 정밀한 측정값을 얻을 수 있었다.

불량률 감소에 크게 기여할 듯

정 교수는 “본격적인 CIGS 박막형 태양전지의 양산이 이뤄질 경우 가격 경쟁력을 높이기 위해 대량생산에 유리한 연속공정 방식을 채택하게 될 것”이라며, “개발된 기술을 통해 실제 생산라인에서 태양전지의 성능과 효율에 가장 큰 영향을 미치는 박막의 성분조성을 실시간으로 관리할 수 있게 돼 불량률 감소 및 생산비 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

SOLAR TODAY 하 상 범 기자 (st@infothe.com)

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