김 한 식 무한테크 대표이사

연속 태양전지 제조

태양전지 제조를 위해서는 폴리실리콘 제조부터 잉곳, 웨이퍼 제조까지 다양한 공정과정을 거치게 된다. 그러나 이번에 개발된 기술을 이용하면 이 같은 과정을 거칠 필요 없이 바로 비정질·다결정 대면적 태양전지를 만들 수 있다. 이 기술은 각 챔버에서 사용되는 TCS에 각 불순물을 첨가해 순차적으로 증착물을 얻어 최종적으로 태양전지를 연속적으로 만드는 기술이며, 플라즈마를 사용하지 않는 특징을 가지고 있다.

구체적인 개념도를 사진 1에 나타냈다. 작업 배드의 양단에 전극롤러를 구비하고 금속벨트를 걸고 전극롤러에 전극을 가해 작업 배드의 위에 있는 금속벨트에 약 1,100도의 온도로 가열될 수 있도록 했다. 작업 배드 위에는 전극인쇄모듈을 비롯한 P형 증착챔버, I형 증착챔버, N형 증착챔버, Sinx 증착챔버, 전극 증착챔버 등을 구비해, 각 불순물이 첨가된 TCS 소재가스를 공급하고, 가열된 금속벨트가 이송되면서 금속벨트위에 전극분말로 코팅하고, P형 증착과정, I형 증착과정, N형 증착과정, 반사방지막 증착과정, 전극코팅이 각 증착챔버에서 순차적으로 진행되어 금속벨트 위에 태양전지가 만들어진다. 만들어진 태양전지는 레이저로 절단해 분리기로 분리수거하며, 금속벨트는 아래의 세정공정에서 세정되어 연속으로 사용된다.

전극인쇄모듈 공정은 금속벨트 위에 금속페이스트 등의 전극제를 고루 용착시키는 공정으로, 차후 금속벨트에서 만들어진 태양전지를 분리수단과 태양전지의 배면전극으로 사용할 수 있도록 하기 위한 과정이다. 이 기술은 별다른 기판소재를 사용하지 않고 단지 TCS 소재 가스만으로 태양전지를 만들기 때문에 종래 태양전지 기술과는 확실한 기술적 차별을 가지며, 소모되는 소재의 양이 획기적으로 적어 가격경쟁력이 클 것으로 기대된다.

유리기판을 이용한 비정질 태양전지

유기기판을 이용한 태양전지 제조공정 과정을 그림 2에 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 약 400도의 온도로 가열된 금속벨트 위에 유리기판을 공급하면 각 TCS 증착챔버에서 유리기판 위에 전극 증착, P형 증착, I형 증착, N형 증착, Sinx 증착, 전극 증착으로 비정질 태양전지 셀이 만들어진다. 유리기판의 크기에 따라 셀 크기의 태양전지에서부터, 모듈 크기의 대면적 태양전지를 한 번의 공정으로 쉽게 만들 수 있다.

유리 기판 대신 박막의 금속기판을 사용해 대면적 다결정 태양전지를 만들 수도 있다. 금속벨트를 약 1,100도의 온도로 맞추고 유기기판 대신 박막 금속기판(스테인리스 박막 강판소재)을 공급하면 플렉시블 다결정 태양전지를 쉽게 만들 수 있는 장점이 있다. 금속기판을 사용해 고온의 증착 온도에서 공정이 이루어지도록 하기 때문에 다결정 태양전지를 만들 수 있다.

이 기술에서는 응용기술도 가능하다. 그림 2에서 기판의 수단으로 쓰인 유리기판, 금속기판을 이랑과 고랑의 요철을 가진 3차원적인 굴곡 기판수단을 공급해, 3차원적인 굴곡을 가진 태양전지를 만들 수 있는 장점이 있다. 이는 지붕이기 자재인 이랑과 고랑의 골을 가진 슬레이트형의 태양전지 모듈과, 공장 건물에 대표적인 지붕이기 자재인 조립식 패널의 태양전지를 만들 수 있다. S형태의 지붕이기 자재인 기와 형태의 태양전지를 만들 수 있는 것이다. 이 기술은 다양한 지붕이기 자재의 태양전지 모듈을 만들 수 있기 때문에 국내의 태양전지 모듈의 설치장소의 폭이 넓어져서 모듈업체의 활성화가 이루어질 수 있는 기회를 확장시킬 것으로 보인다.

금속 박판 롤 기판 이용한 연속 태양전지 제조

가열배드를 내부에 장착된 가열시스템으로 가열하고 박막 롤 기판(스테인리스 박막 강판)을 가열된 가열배드 위로 공급하면 기판수단이 약 1,100도로 가열되어 각 증착챔버에 이송된다. 이후 순차적으로 전극 증착, P형 증착, I형 증착, N형 증착, Sinx 증착, 전극 증착이 되어 기판의 한 면에 태양전지를 만들 수 있으며, 사용여부에 따라 적당한 길이로 잘라 사용할 수 있는 시스템이다.

이때 만들어지는 약 1,100도의 높은 온도에서 증착 공정이 이루어지기 때문에 태양전지는 다결정 태양전지가 만들어지며, 기판의 폭에 따라 다양한 크기의 태양전지를 쉽게 만들 수 있다. 또한 기판의 공급이 중단 없이 연속으로 이루어지기 때문에 제조비용이 혁신적으로 절감되며, 박막 태양전지임에도 다결정 태양전지가 만들어져서 그 효율이 종래 다결정기판으로 만든 태양전지와 비슷한 약 20%의 내외의 효율을 구현해 가격대비 어떤 태양전지보다 큰 경쟁력이 있다.

효과 및 기대치

앞에서 소개한 태양전지 제조 과정은 고도의 기술력과 많은 제조비용이 필요했던 기존의 플라즈마 기술을 사용하지 않는다는 가장 큰 특징이 있다. 각 증착 챔버가 일직선상에 나열·구비되고, 순차적으로 금속 기판이 각 증착챔버에 이송되면서 한 번의 공정으로 TCS 소재 가스에서 태양전지가 만들어진다.

때문에 이 기술을 사용하면 폴리실리콘 제조, 잉곳 제조, 잉곳 슬라이스의 공정을 따로 거치지 않아도 된다. 자연히 이 공정에서 버려지는 실리콘이 없으므로 실제 태양전지 제조 과정 중에 사용되는 실리콘의 양이 기존의 태양전지 제조과정에 비해 약 5%에 불과해 가격 혁신과, 그리드 패리티(Grid Parity)에 더욱 가까이 갈 수 있는 기술력이라 할 수 있다.

이밖에도 이 기술로 만들 수 있는 태양전지는 유기기판을 사용한 비정질 태양전지를 만들 수 있으며, 기판의 크기에 따라 대면적 태양전지를 만들 수 있는 장점이 있다. 뿐만 아니라 태양전지의 경우 고효율이라는 가장 큰 숙제가 남아있는데, 이 기술은 금속기판을 사용해 플렉시블 대면적 다결정 태양전지를 만들면서 동시에 20% 안팎의 효율을 나타내고 있다.

또한 스테인리스 소재의 롤 기판을 사용해, 길이가 넓은 폭과 길이가 긴 태양전지를 만들 수 있어 태양전지 산업에 응용범위가 매우 넓다. 기판의 소재를 이랑과 고랑의 3차원적인 모양으로 공급하고 그 위에 태양전지를 만드는 것으로, 지붕이기 자재인 골슬레이트 태양전지, 조립식판넬 태양전지, 기와 형태의 태양전지 등을 만들 수 있어 태양광발전의 활용범위를 넓힐 수 있다.

무엇보다 이 기술은 태양전지의 제조에 따른 공정이 규소, TCS 제조, 태양전지 제조, 모듈 제조로 단순화되기 때문에 폴리실리콘 제조, 잉곳 제조, 잉곳슬라이스, 각 셀 공정에서 발생되던 산업폐기물의 양이 적어, 태양전지에 걸맞은 친환경적인 에너지로 거듭나게 되어 빛을 발하게 될 것으로 전망된다. 이번 기술의 상용화가 이루어진다면 태양전지업계는 재편되어 태양전지 장비업체, TCS 소재업체, 태양전지 모듈업체로 단순화가 가능해지며, 종래의 폴리실리콘 제조업체, 잉곳 및 웨이퍼 제조업체, 셀 제조업체, 각 장비업체에 큰 지각 변동이 예상된다.

상용화를 위한 노력

위의 기술을 개발한 무한테크는 산업현장의 각 전용기를 주문·제작해온 회사로, 기존까지는 의료기기를 만드는 전용기를 주로 만들었다. 그러나 태양전지가 대중의 큰 관심을 받기 시작하면서 태양전지에 대한 열정으로 연구를 이어온 끝에 현재 약 10여개의 관련 특허 출원을 하고 있다. 그 중 이번 기사에 소개한 기술은 TCS 소재가스에서, 폴리실리콘·잉곳·웨이퍼 제조의 각 솔라 공정 없이 바로 비정질, 다결정 대면적 태양전지를 만드는 기술로서, 현재 상용화를 추진 중이다. 무한테크는 본 기술을 빠르게 진행하기 위해 해외 태양전지 기업과 합작을 이끌기 위해 교류 중에 있다. 향후 국내 기업의 참여도 기대하고 있다.

본 기사는 무한테크(dnwnwkdnjs@naver.com)에 서 제공한 자료를 게재한 것입니다.

SOLAR TODAY 편집국 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com

SolarToday 다른기사 보기