남우석 웅진에너지 책임연구원

최근 중국, 대만에 대한 관세 문제, 환율 등 향후 태양광시장이 국내 업체에 조금 나은 경영환경을 제공할 것으로 예측이 되는 가운데, 지금까지의 어려운 여건에서 이룩한 수많은 원가경쟁력 확보 노력이 올해에는 실적 개선으로 이어질 것으로 판단된다. 이렇듯이 곧 다가올 호기를 맞이하기 위해서 현재, 태양전지의 발전 방향을 돌아보고 결정질 실리콘 산업이 지속적인 발전을 하기 위한 원재료 산업군의 노력과 연구방향을 소개하고자 한다.

유무기 태양전지의 도전

지난 중요 태양광 관련 연구 보고를 통해 바라본 유·무기 태양전지의 주요 개발 목표는 다음과 같다. 광변환효율 15%를 웃도는 OPV(Organic Photovolatics)와 DSSC, 25%를 넘는 CIGS, CdTe, 그리고 페로브스카이트(Perovskite) 솔라셀의 개발일 것이다.

우선, 기존 박막형 태양전지들의 연구성과를 살펴보면, CIGS는 2014년에 ZSW에서, Rigid Type으로 21.7%의 효율을 달성했다. 특히, ZSW 외에 독일 솔리브로(Solibro), 솔라프론티어(Solar Frontier)나 EPMA 등이 경쟁적으로 지난 2년 내에 1%대의 효율 증대를 이뤄냄으로써, 향후 기술발전과 경쟁을 통해 Flexible과 Rigid Type 모두에서 박막 태양전지의 중요 분야로 성장이 기대되고 있다.

이와 같은 빠른 효율 증대 경향을 살펴보면, 향후 중국 하너지(Hanergy)를 통해 주도되는 솔리브로, 그리고 미아솔(MiaSol)의 ‘Thin-film Processes’합작 연구가 어떤 결과로 나타날지 사뭇 관심을 갖게 된다.

하너지는 자체의 비정질 박막 실리콘 사업과 더불어 CIGS, 특히 글로벌솔라에너지(Grobal Solar Energy)를 통한 Flexible CIGS 분야까지도 주도하면서 향후 박막시장에서 다양한 사업 아이템을 창출할 것으로 기대된다.

한편, 증착 필름 형태의 태양전지 기술 중 한 축인 CdTe 기술은 한동안 퍼스트솔라(First Solar)라는 막강한 기술력의 기업이 버티며 관련 사업을 독식했으나, GE글로벌리서치의 연구 참여를 통해 최근에 기술개발에 속도가 붙고 있다. 2년 사이 1% 이상의 효율 향상을 이끌어 내면서 CIGS계 태양전지의 기술혁신에 대응하고 있다.

특히, CdTe를 이용한 기술개발 사업은 기존 퍼스트솔라의 모듈사업, 그리고 글로벌 기업인 GE의 자금력과 맞물려서 큰 시너지를 창출할 것으로 판단된다.

OPV는 헬리아텍(Heliatek)에서 더블 정션(Double Junction) 구조를 통해 12.0%의 효율을 발표하면서 크게 이슈가 된 바 있는데, OPV 연구진은 15%대의 전지효율 달성을 목표로 재료 및 구조 연구를 지속하고 있다.

싱글 정션(Single junction) OPV 셀 최고 효율인 11.1%를 기록하고 있는 미쓰비시화학(Mitsubishi Chemical)은 이미 셀효율이 아닌 모듈구조에서 이와 같은 효율을 달성하고 있으며, 2015년까지 이종형 적층(Tandem Laminated) 구조의 OPV 모듈로 효율 15% 달성과 나노 구조를 도입한 모듈 효율 20%대를 목표로 연구에 매진하고 있다.

특이점은 지난 헬리아텍에서 투과형 BIOPV(Building Integrated OPV : 건물일체형 OPV)를 설치해(0.62kWp) 파일럿 테스트(Pilot Test)에 돌입했다는 사실이다. 특히 헬리아텍은 바이너리 정션(Binary Junction) OPV 분야에서 세계 최고 효율인 12%를 달성하고 있는데, 장기신뢰성 확보라는 난점을 가지고 있었던 헬리아텍 및 OPV 진영의 입장에서는 상당히 의미 있는 성과라고 판단된다.

페로브스카이트 구조 효율 20.1%까지 끌어올려

이러한 연구가 의미를 갖는 발표가 지난 12월 4일 폐막된 MRS(Material Research Society) ‘Fall Meeting 2014’에서 있었다.

폴 C. 다스투(Paul C. Dastoor) 팀의 발표에 의하면, ‘OPV를 만드는데 소요되는 원자재들의 대량생산체제 확보, 현재의 가격수준 유지, 그리고 5%대의 광효율 OPV가 5년간의 지속적인 태양광발전 실현’ 등의 충분조건을 만족한다면, OPV 분야에서의 효율개선이 필요 없는 충분한 경제성을 확보한 상태로 볼 수 있다.

그러나 장기신뢰성 부분을 논외로 할 때, 실질적으로 가장 단기간에 높은 효율 달성을 이루고 있는 분야는 페로브스카이트계 태양전지일 것이다. 지난 2013년 8월, 미국 NERL에서는 페로브스카이트 솔라셀을 DSSC에서부터 하나의 독립된 카테고리로 분리한 결과를 정리한 바 있다.

페로브스카이트 구조를 채용한 태양전지의 연구는 지난 2007년 일본의 츠토무(Tsutomu) 교수팀에 의해 이산화티타늄 대신 페로브스카이트 결정을 이용한 DSSC 개발을 통해 태양전지로서의 가능성을 보고 받으면서 시작됐다. 페로브스카이트 결정의 우수한 점은 유기태양전지와는 다르게 Electron-hole Pair의 확산거리가 1μm 이상으로 길다는 점이며, 이를 이용한 고효율의 DSSC 개발이 크게 각광을 받아왔다.

그 후 짧은 파장대의 광흡수율은 우수하나 수분에 매우 치명적인 페로브스카이트 결정의 문제를 해결하기 위해 DSSC를 처음 개발한 스위스 그레첼(Grtzel) 교수팀이 성균관대 박남규 교수팀과 공동으로 고체 전해질 연구를 시작하면서 2012년 10%대의 변환효율을 갖는 DSSC를 개발해 발표했다.

이렇듯 DSSC의 전극에서 출발한 페로브스카이트 구조는 그레첼 교수팀이 2013년 5월에 기록한 14.14%를 바탕으로 최근 한국화학연구원에서 기록한 20.1%에 이르기까지 가파른 효율 상승을 이루고 있다. 특히 화학연구원은 2013년 5월 5일에 ‘Nature Photonics online’을 통해 그레첼 교수팀이 ‘Effect inorganic-organic hybrid heterojunction solar cells containing perovskite compounds and polymeric hole conductors’라는 개념을 발표하는데 석상일 박사(성균관대 겸임교수)팀이 공동으로 참여해 페로브스카이트 솔라셀의 신기원을 개척해오고 있어서 더욱 주목할 만하다.

페로브스카이트 솔라셀 비중 확대

이처럼 국내 연구진들이 페로브스카이트 PV의 초기에서부터 현재의 20.1% 효율까지 모두 관여하면서 페로브스카이트 PV 개발을 주도하고 있다. 더욱이 지난 ‘WCPEC 2014’에서 박남규 교수의 발표처럼 경희대에서 세계 최고 효율인 24%대의 페로브스카이트 셀 효율 발표가 있을 것으로 기대되고 있다.

그러나 현재까지 실리콘 기반의 태양광산업에 있어서 페로브스카이트 솔라셀의 비중은 미약한 편이며, 효율개선과 더불어 장기 신뢰성 확보라는 과제가 남아있어 당분간 실리콘 분야에 큰 위협이 되기는 어렵다고 본다. 하지만 현재의 페로브스카이트 PV가 갖는 광변환 효율에 대해 장기 신뢰성이 확보된다면, 실리콘계 태양전지산업에 있어 가장 위협적인 경쟁상대가 될 것이라고 판단된다.

이러한 우려에 대해 다른 한편으로는 페로브스카이트 PV와 c-Si PV가 향후 하이브리드 형태를 이뤄 함께 발전할 것이라는 전망도 있다.

표 1에 나타난 바와 같이 Newman은 기존 Voc와 Jsc에서 최고 기록을 갖는 태양전지의 기록을 바탕으로 최고 태양전지에 대한 효율치를 역산해 발표한 바 있다. 그 결과는 셀 효율이 26.6%였으며, HIT 셀과 PERL 셀 구조의 결과치의 최고치를 조합한 결과이다. 그 결과에 대해 파나소닉은 자사 연구 셀에서 부족한 Jsc 부분을 보완해 2014년 4월 25.6%의 셀효율을 발표했다. 비록 Voc 부분은 조금 낮아졌으나 Jsc를 PERL 셀에 준하도록 높이면서 효율을 끌어 올렸다. 여기서 중요한 점은 Voc가 여전히 0.7V대에 머물고 있다는 점이다.

물질이 지닌 한계를 끌어올리기 위해서 스네이스(Snaith) 박사는 기존 HIT 셀에서 a-Si Doping Layer에 페로브스카이트 PV를 적층형 셀 구조로 올리거나 또는 그 역할을 대신하도록 페로브스카이트 결정층을 증착하게 되면, 페로브스카이트 결정이 가지는 1.5V대의 광흡수 영역이 표면에 올라가게 됨으로써 Voc를 끌어 올릴 수 있게 되는 것이다.

이렇게 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트층을 설계하는 방법은 인쇄기법으로도 충분히 가능하기 때문에 원가 상승을 최소한으로 억제할 수 있으며, 표 2에 정리된 바와 같이, 효율을 계산하면 실리콘 태양전지의 이론효율 29%에 근접하는 약 28%대의 광효율을 달성할 수 있을 것이다.

더욱이 ‘WCPEC 2014’에서 박남규 교수가 밝힌 페로브스카이트 PV의 예상 최고 효율인 26%대에 근접한다면, 동시에 결정질 실리콘 태양전지와의 하이브리드 시스템 연구도 더욱 효율을 높일 수 있을 것이며, 실리콘 이론효율인 29%대에 조금 더 근접할 수 있을 것이라고 판단된다.

여기에서 하이브리드의 개념은 OPV 물질을 Si PV에 응용해 동일한 가능성을 찾는 연구로도 확장될 수 있다. 여기서 중요한 점은 이번 연구 노력이 가지는 결과의 기초가 무엇인가에 대해 고민해봐야 한다는 점이다. 다시 말해서 기본이 되는 고효율의 실리콘 소재에 대해 웅진에너지의 연구방향을 제고할 필요가 있었다.

실리콘 태양전지의 연구노력

위에 언급한 바와 같은 다양한 연구들에 대해 실리콘계 태양전지의 반성과 노력이 이어지고 있는 현 시점에서 세계 주요 단결정 잉곳 산업군은 고효율 연구보다는 생산성 향상과 제품단가 낮추기에 올인한 바가 컸다. 특히, 기존의 잉곳 품질과 후발 주자간의 품질 경쟁이 무의미해질 만큼 현재 제품의 품질이 대동소이해진 상황에서 생존을 위한 생산 용량과 원가 경쟁은 지난 2014년까지 매우 치열하게 전개돼 왔다.

웅진에너지에서도 같은 노력을 진행했으며, 최근 고품질 제품 개발에 성공하면서 고품질 제품군을 시장에 선보이게 됐다.

지난 2014년 샤오 & 쑤(Xiao and Xu)가 ‘n-type 결정질 실리콘 태양전지의 효율향상’에 대해 보고한 바와 같이 현재 태양전지들 중 결정질 실리콘계 태양전지의 개발 동향을 살펴보면, 파나소닉에서 n-type 실리콘을 기반으로 한 이종접합 구조와 후면 전극 구조를 접목시켜서 꾸준히 효율을 향상시켜 왔으며, 지난해 2월에 인증효율(AIST, Japan) 25.6%의 세계 최고효율 기록을 달성했다.

이 태양전지의 크기는 대량생산되는 상용화 크기에는 못 미치지만 파일럿급에 가까운 143.7cm²로서 일반적으로 최고효율 발표시 사용되는 연구용 크기를 뛰어넘고 있다. 물론 상용 태양전지 크기로 최고 효율은 아직까지 선파워의 IBC 셀이 최고이며, 파나소닉에서 발표된 HIT 셀의 개념은 앞으로 상용화를 위한 양산기술 및 장비 개발이 좀 더 필요하겠지만, 향후 수년 안에 결정질 태양전지 시장을 선도할 것으로 예측할 수 있다. 이러한 결과에는 기타 소재의 연구 노력과 함께 n-type 웨이퍼의 고효율화가 동반됐음은 두말할 필요가 없는 바이다.

이렇듯 향후 전개될 n-type 태양전지시장에 고품질의 제품을 적기에 납품할 수 있도록 6~8.3(웨이퍼 기준 125~156.75mm)급 잉곳 제품을 p-type과 함께 개발해야 함을 알 수 있다.

따라서 웅진에너지에서는 기존 제품 외에 잉곳 성장 초반의 Oi 농도를 조절해 우선 낮은 산소농도를 갖는 Low Oi 제품과 낮은 산소농도뿐만 아니라, 탄소의 농도 등을 최대한으로 성장시킨 잉곳의 상하부에서 전반적으로 높은 MCLT(Minority Carrier Life-Time)를 갖는 다양한 저항대의 우수한 제품을 동시에 개발해 ‘PRIMEX’라는 제품으로 특화시켰다.

아울러 한 개의 잉곳에서 Full-Squared 단결정 웨이퍼를 동시에 4장씩 제작할 수 있는 직경 400mm 이상의 대구경 잉곳 성장 기술을 개발하고 있다. Full-Squared 웨이퍼는 일반적인 단결정 Pseudo-squared 웨이퍼와 달리 다결정 웨이퍼와 같이 잉곳의 곡면에는 꼭지점이 존재하지 않기 때문에 태양전지에서 광흡수 면적이 증가되는 효과가 있다. 현재 잉곳의 길이를 수 미터로 키우기 위해 입자형 ‘Si Continuous Feeding System’ 연구를 동시에 진행하고 있기 때문에 조만간 수 미터의 대구경 잉곳 성장 결과가 발표될 것이다.

한편, 대구경 잉곳과 더불어 현재의 각 잉곳 성장로의 생산성을 극대화하기 위한 연구와 투자가 계속 진행되고 있다.

웅진에너지에서는 지난 정부과제를 통해 잉곳의 연속성장을 위한 입자형 폴리실리콘 성장법 연구를 진행했다. 이 과제를 통해 개발된 파일럿 스케일 MS-FBR(Monosilne-Fluidized Bed Reactor)의 성공적 운전을 통해 국내 유일의 모노실란(Monosilane)을 이용한 입자형 폴리실리콘 상용 생산 기술을 확립했다. 최근 가동을 시작한 S사가 MEMC 기술을 그대로 이용한다면, 웅진에너지의 유동층 기술을 활용해 국내 기술로는 독자적인 입자 성장 반응기를 화학연구원 김희영 박사팀의 Lab-scale 반응기에 이어 파일럿 스케일에서 실현했다는데 의의가 있을 것이다.

생산성 향상 및 원천소재 기술개발

이렇듯 웅진에너지에서는 원천소재 기술개발도 함께 진행하고 있다. 이러한 연구개발을 통해 생산성을 높이는 동시에 현재 개발된 다양한 품질의 잉곳을 각각의 고객에 맞춤제공할 수 있도록 준비하고 있으며, 기존에도 우수한 품질로 미국 선파워의 IBC 셀용 6인치 n-type 웨이퍼 납품 경험을 바탕으로 현재 개발된 n-type 제품군과, p-type 제품군에 대해 선에디슨, 솔라월드(SolarWorld)를 위시한 다양한 고객의 요구에 맞춰 생산을 지속하고 있다.

그러나 고효율 태양전지의 개발 동향은 단순히 n-type 셀 개발에 국한되지는 않고 있다. 상용 태양전지를 위한 실리콘의 사용량이 꾸준하게 감소하고 있는 바와 같은 맥락으로 다양한 박막형 실리콘 태양전지가 동시에 개발되고 있으며, 솔렉셀(Solexel)사를 통해 상용화에 매우 근접한 결과가 나타나고 있다.

박막형 실리콘 태양전지의 기술개발은 원료 물질에 따라서 고체상 고급 폴리실리콘을 이용해 용융상을 만든 후, 기판(Substrate) 위에서 박막을 성장시키는 방법으로 대표적인 기업은 1336 테크놀로지스(Technologies)가 있으며, 기상 증착을 통해 박막을 형성시키는 방식은 위에 서술한 솔렉셀, 크리스털솔라(Crystal Solar) 그리고 프라운호프연구소 등이 있다.

향후, 실리콘 태양전지에 있어서 잉곳 절단에 의한 웨이퍼 제조 방식이 차지하는 비중이 줄어들기는 하지만, 절대 다수를 차지하고 있어 웅진에너지에서도 고품질 제품의 기술개발을 우선으로 하면서 지난해부터는 본격적으로 실리콘 박형(Si base thin) 웨이퍼 제조 기술개발을 추진하고 있다.

태양광산업의 발전 위한 기술개발

실리콘 기술은 꾸준히 고효율 및 저가화를 추구하면서 발전해 나아가고 있다. 특히, 박막형 기술의 발전 추세는 최근 2~3년 내에 수%의 효율향상을 가져올 만큼 급격히 발전하고 있으며, 향후 장기신뢰성 확보라는 과제를 안고 있는 태양전지류에서부터 이미 신뢰성을 확보한 제품에 이르기까지 각각의 영역에서 최선의 노력을 다하고 있다.

웅진에너지에서도 이러한 발전 추세에 맞춰 n-type 잉곳 및 웨이퍼 개발을 완료 또는 진행하고 있다. 아울러 신기술 개발을 위해서 실리콘 박막/박형(Si thin film) 웨이퍼개발을 시작했으며, 태양광산업의 발전을 위해서 묵묵히 노력하고 있다.

태양광산업계 전체에 불어왔던 어려움이 이제 조금씩 지나가는 시점에 있다. 정부, 산업계, 그리고 학계가 조금 더 힘을 모아서 현재의 어려움을 극복하고 미래 먹거리 선점을 위한 노력을 지속해야 할 것이다.

SOLAR TODAY 편집국 (st@infothe.com)

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