초박형 결정질 실리콘 태양전지 및 기능성 첨가제 개발 성공

한국에너지기술연구원, 태양전지 효율은 UP, 제조비는 Down~

황 주상 기자

이 두 가지연구개발 책임자인 송희은 박사는 “이번 실리콘 태양전지 개발을 통해 실리콘 사용량을 절반으로 줄이고, 동시에태양전지를 제조하는데 필요한 공정 절차 또한 줄여 태양전지의 경제성을 확보할 수 있을 것”이라고 전망했다.

또한, 실리콘 태양전지에서 생산된 전기는 태양전지 상부와 하부에 인쇄된 전극을 통해 수집되는 만큼 이러한 과정에서생산된 전기를 전극이 얼마나 효율적으로 이끌어낼 수 있는지가 중요한 산업적 지표로 평가받고 있어 이번 연구개발을 통해 발견한 기능성 첨가제의 향후역할에도 이목이 집중되고 있다.

결정질 실리콘 태양전지, 유연성과 내구성 일석이조

결정질 실리콘 태양전지 공정은웨이퍼 제조 공정, 태양전지 공정, 모듈 공정으로 나눌 수있는데 웨이퍼 제조원가가 태양전지 모듈 원가의 약 40%를 차지하고 있다.

현재 상용화된 태양전지에 사용되는 웨이퍼의 두께는 180㎛이지만, 이번 연구에는 웨이퍼의 두께를 100㎛으로 낮춰 웨이퍼의 제조 단가가줄일 수 있도록 한 것이 특징이다. 하지만 이렇듯 웨이퍼의 두께가 얇아지면 유연성이 생겨 휠 수 있는특성을 갖는 반면, 웨이퍼의 강도는 급격히 낮아져 충격에 약해지고 수율이 낮아지는 문제가 발생할 수있다.

하지만, 연구진은 초박형 결정질 실리콘 태양전지 양산 공정 및 관련 장치 개발을 통해 웨이퍼 두께를 100㎛으로 낮춰도 강한 내구성을 가질 수 있도록 하는 데 성공했다. 이와함께 연구진은 전면과 후면에 실리콘 박막과 투명 전도막을 동시에 형성해 태양전지를 제조해 제조에 필요한 장치와 공정수를 절반으로 줄이는 쾌거를달성해 기존의 태양전지 생산에 문제시됐던 공정 장비 및 비용 상승 문제를 해결했다.

송 박사는“기존에 상용화된 태양전지가 사용됐던 태양광 발전소, 주택, 빌딩용모듈 등과 같은 평면에 적용할 수 있다. 또한, 웨이퍼의박형화가 이뤄지면 웨이퍼의 유연성이 생겨 현재 결정질 태양전지를 사용할 수 없는 곡면에도 사용할 수 있게 된다며,“이러한특성을 잘 이용하면, 보트나 자동차와 같은 곡면에도 사용할 수 있어 태양전지의 사용처를 지금보다 훨씬확장할 수 있을 것”이라고 기대했다.

하지만, 아직 실용화를 위해 완수해야 할 숙제는 남아있다. 연구진은 보잉현상의 감소를 위한 방안 강구를 가장 먼저 풀어야 할 과제로 꼽았다.

송 박사는“웨이퍼의 두께가 감소함에따라 소성 공정 후에 보잉(휨 현상)이 심해지는데 이를 줄이는것이 양산수율을 높이는 데 가장 중요한 요인”이라며, “이번 연구를 통해 이러한 보잉이 실리콘 웨이퍼와금속 전극 간의 열팽창계수로 인해 생성되고, 영률에 의해 결정된다는 사실을 발견했다”고 설명했다.

연구팀은 향후 이러한 연구 결과를바탕으로 금속 전극의 열팽창계수와 영률을 변화시키는 연구를 진행할 계획이다.

‘유기 은 화합물’ 활용한 기능성 첨가제

한편, 연구진은 실리콘 태양전지 효율성을 높일 수 있는 기능성 첨가제의 중요성도 강조했다. 기존의 태양전지 전극용 소재의 경우, 작은 유리가루를 높은 온도에서녹여 전극과 태양전지를 접합시키는 방법을 사용했다.

하지만 유리 자체에는 전도성이 없어 태양전지 내부에서생성된 전기를 효율적으로 이끌어낼 수 없다는 문제가 있었으며, 이밖에도 섭씨 800도 이상의 높은 열을 가해 전극과 태양전지를 접합해야하기 때문에 전력 소모량이 많다는 단점이 존재했다.

하지만, 연구진은 오랜 기간의 연구 끝에 특수한 ‘유기 은 화합물’을첨가함으로써 태양전지 내부의 전기를 외부로 효과적으로 이끌어 낼 수 있다는 사실을 발견하게 돼 이러한 단점은 대거 해소될 것으로 기대된다.

‘유기 은화합물’은 전극용 소재의 주요 성분 중 하나인 유기 용매에 쉽게 용해될 뿐만 아니라 전기를 잘 흐르게 하는 은 나노입자들을 생성하는 성질을 가지고있다. 또한, 이러한 ‘유기 은 화합물’을 첨가제로 사용할경우, 기존보다 낮은 온도에서 전극과 태양전지를 접합해도 기존과 같은 성능을 이끌어낼 수 있다.

송 박사는“이번 첨가제 발견을 통해, 연구진은 독일, 미국 등 선진국의실리콘 태양전지용 전극소재 산업체에 비해 비교 열세에 있는 한국 산업체의 기술경쟁력을 향상시킬 것”이라며, “또한, 전극과 태양전지의 접합에 요구되는 온도를 낮출 수 있어 향후 태양전지 생산비용 절감에 이바지할 수 있을 것”이라고기대했다.

태양광 에너지의 저력은 지금부터!

한편, 송희은 박사를 비롯한 연구진은 이번 실리콘 태양전지 개발의 경위를 ‘무한한 가능성’으로 정의했다.

현대 사회에서에너지는 인류가 생존하는 데 있어 필수불가결한 조건중 하나다. 하지만 현재 대다수의 소비자가 사용하고있는 화석연료나 원자력에는 매장량의 한계가 있으며, 이를 다시 생성되는 데는 아주 오랜 시간이 걸리는경우가 많다.

송희은 박사는“태양에너지는 태양이 핵융합을 멈추지 않는 한 사용이 가능하기 때문에 무한한 가능성을 갖고 있다”며, “이에향후 태양광으로 전기를 생산하는 단가와 화석연료를 사용하는 기존 화력발전 단가가 동일해지는 균형점인 그리드패리티에 도달하게 된다면, 태양전지가 에너지 사용자에게 기여할 수 있는 부분이 커질 것”이라며 태양광 에너지가 가지고 있는 무한한 잠재력의중요성을 시사했다.

SOLAR TODAY 황 주 상 기자 (st@infothe.com)

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