[태양전지 교과서] Week 12 - Thin Film Cell

그림들의 출처는 모두 EPFL의 MICRO-565, IEM NEUCHATEL PV-lab 에 있습니다

Prof. Christophe Ballif

지금까지 실리콘 태양전지에 대해 알아보았다. 실리콘 태양전지는 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 이에 반해 thin film, 박막 태양전지는 적은 비중의 시장 비중을 유지하는 데 그치고 있다. 이번에는 박막 태양전지에 대해 다뤄볼 것이다.

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Thin films

 

실리콘 태양전지와 비교해 박막 태양전지는 어떤 특징이 있는지 표로 정리했다.

​	실리콘 태양전지	박막 태양전지
장점	보장된 높은 효율(module 규모에서 20% 이상) 대량 생산을 통해 단가 절감 이미 현장, 공정에서 많은 노하우가 쌓임	적은 재료 소모 유연한 module 생산 가능 energy payback time이 짧음 건축물에 활용 가능
단점	웨이퍼 생산 과정이 많은 공정을 필요로 함 비용 절감이 대부분 대량 생산을 통해서만 해결됨	낮은 효율(13~17% module level) 현장에 노하우가 적음

여기서 energy payback time이란, 태양전지 설비의 재료 생산, 제조, 설치, 재활용 및 폐기 등 전 과정 life cycle에서 발생하는 에너지 소비를 보상하기 위해 필요한 시간을 의미한다. 태양전지를 어디에 설치하냐에 따라 발전량이 다르기 때문에 중부 및 남부 유럽의 지붕에 설치했을 때를 기준으로 (광량 약 1000kWh/m²/y) 한다.

태양전지의 수명을 약 30년 정도로 잡을 때 energy payback time(EPBT)은 보통 0.8~3년이다. 주황색은 2013년에 박막 태양전지와 실리콘 결정 태양전지의 EPBT를 비교한 것이고 빨간색은 2021년에 실리콘 결정 태양전지의 EPBT를 측정한 것이다. 2013년에는 실리콘 태양전지의 EPBT가 확실히 길다. 이는 실리콘 태양전지를 사용하기 위해 사용한 전력을 보상받기 위해 많은 시간이 필요했다는 것이다. 2021년에는 EPBT가 상당히 짧아졌다.

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대부분의 박막 태양전지는 다결정 박막을 사용한다. 때문에 불순물, point defect(결정 내부에 점 형태로 존재하는 빈 공간)이 많아 재결합이 일어날 수 있다. 또한 결정 grain 사이의 grain boundary 또한 재결합이 많이 발생하는 구간이다. (원래 A와 B의 경계처럼 균일하지 않은 곳에 defect가 많이 생김) 따라서 생성된 전하가 재결합하기 전 전극으로 모을 수 있도록 얇은 두께가 필요해진다.

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박막 태양전지를 제조하는 공정 과정은 다음과 같다.

값싼 glass 기판 위에 TCO(투명 전도성 산화물)를 증착한다. 그 뒤 TCO의 일부를 제거하기 위해 레이저를 쏴준다. 1064nm의 적외선 레이저면 TCO를 제거할 수 있다.

그 뒤 n-layer와 p-absorber로 이뤄진 광활성층을 증착한다. 다시 광활성층의 일부를 제거하기 위해 레이저를 비춘다. 이번에는 532nm의 가시광선 레이저가 필요하다.

다시 두 번째 전극을 증착하고 레이저로 일부 제거한다.

최종적으로 위와 같은 모양이 된다. 박막 태양전지는 두 가지의 영역으로 나눠지며 하나는 발전에 사용되는 active area, 다른 하나는 발전에 사용되지 않는 dead area이다. 따라서 dead area의 너비를 최소화해야 한다. 하지만 active area를 너무 넓히면 TCO 내부에서 전류가 이동할 때 ohmic loss가 증가하므로 적절한 비율을 찾는 것이 중요하다. 한편, dead area 부분에서 second 전극(회색 층)으로 인해 끊어진 광활성층(갈색) 부분은 front side와 rear side가 가까이 있기 때문에 전류가 회로로 흐르지 않고 내부에서 흐르는 short circuit 현상이 일어날 수 있다.

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위 그래프는 박막 태양전지에 쓰일 수 있는 반도체 재료들의 흡광도를 나타낸 그래프이다. 태양전지로 들어오는 빛의 에너지에 따라 각 물질의 흡광도가 달라진다. 빛의 에너지가 작을 때(왼쪽) 물질들의 흡광도가 대체로 작다. 이는 빛의 에너지가 아직 반도체의 밴드갭보다 작기 때문이다. 반도체의 밴드갭보다 적은 에너지를 가지고 있으면 원자가대의 전자를 전도대로 전이시킬 수 없다. 이는 빛을 흡수할 수 없음을 의미한다. (반대로 전자가 전도대로 전이했다는 것은 빛을 흡수했다는 것이다) 오른쪽으로 갈수록, 빛의 에너지가 커질수록 흡광도가 커진다. 이는 빛의 에너지가 전자를 전이할 만큼 커져 빛을 흡수할 수 있게 되기 때문이다. 중간에 흡광도가 급격히 증가하는 구간이 있는데, 이 때의 에너지가 반도체의 밴드갭이라고 보면 된다. 이 때의 에너지를 기점으로 전자 전이의 여부가 갈린다.

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그런데, 그래프의 오른쪽을 자세히 보면, 빛의 에너지가 충분히 크더라도 실리콘에 비해 CIGS, CdTe, GaAs 등의 흡광도가 더 크다는 것을 볼 수 있다. 실리콘은 자체적으로 흡광도가 낮다. 때문에 실리콘으로 충분한 양의 빛을 흡수하기 위해선 두께가 두꺼워야 한다. 반면, CIGS, CdTe, GaAs 등은 빛을 잘 흡수한다. 이들은 두께가 얇아도 충분한 양의 태양광을 흡수할 수 있고 때문에 박막 형태의 태양전지를 만드는 데 사용된다. 이들이 높은 흡광도를 갖는 이유는 direct bandgap 재료이기 때문이다. direct bandgap은 원자가대의 최대 지점과 전도대의 최소 지점이 일치하여 빛 흡수와 전자 전이가 잘 일어난다. 자세한 내용은 Week 6를 확인하면 좋다.

 

[태양전지 교과서] Week 6 - Direct and Indirect Bandgap

 

박막 태양전지의 장점은 얇기 때문에 재료를 적게 써도 된다는 것이다. 하지만 이러한 장점은 재료의 희귀성으로 인해 반감된다. 위 그림은 지구 지각 1ton에 존재하는 광물들의 상대적 양을 나타냈다. 실리콘은 지구 지각에서 가장 많은 양을 차지하는 광물로 양이 매우 풍부하다. 하지만, 인듐, 텔레늄, 카드뮴, 갈륨, 저마늄 등 박막 태양전지의 반도체로 쓰이는 광물들은 그 양이 상대적으로 매우매우 부족하다.

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박막 태양전지 역시 효율이 꾸준히 증가했다. 위 그래프에서 초록색 선이 박막 태양전지이다. 2023년 기준, CIGS를 광흡수층으로 활용한 박막 태양전지가 23.6%라는 최고 효율을 기록했다. 다만, 역시 실리콘 태양전지(파란색 선, 최고 효율 27.6%)보다 효율이 떨어진다. 현재로서는 실리콘 태양전지의 효율이 너무 좋아서 박막 태양전지의 생산이 잘 일어나지 않고 있다. 그나마 경쟁력 있는 것이 GaAs 박막 태양전지와 페로브스카이트 태양전지이다. 하지만 GaAs는 실리콘보다 100~1000배 비싸고, 페로브스카이트는 기술적으로 완성되지 않았다.

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출처: Dale et al. 10.1016/j.solmat.2022.112097

대부분의 태양전지가 비슷한 learning curve를 따르고 있다. 해가 지날수록, 연구 출판이 늘어날수록 각각의 태양전지들의 최고 효율 값이 증가한다. GaAs같은 예외는 존재한다.

Bermudez, nature energy (2018)

연구실 규모의 cell과 상업 규모의 module에서도 효율의 차이가 일어난다. 전류 값이 증가하고 TCO에서의 전류 손실 등으로 인해 module에서의 효율은 cell의 효율보다 낮다.

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CdTe

CdTe 박막 태양전지 구조와 band structure

CdTe 태양전지는 박막 태양전지 중 한 종류이다. p-type CdTe와 n-type CdS 사이의 heterojunction으로 구동된다. 주로 SnO₂ 같은 TCO가 같이 쓰인다. CdTe의 밴드갭은 1.5eV이고 매우 높은 흡광도를 갖는 물질이다. CdTe가 빛을 흡수하면 전자 정공 쌍이 생기고 전자는 n-CdS 쪽으로 이동해 흐른다. 흡광도가 높아 태양광을 흡수하기 위해선 2㎛면 충분하지만, grain을 키워 short circuit을 막기 위해 6~10㎛ 정도의 두께로 만든다. 지금까지의 최고 효율은 21.0%가 조금 넘고 thermal coefficient는 -0.25%/℃이다.

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CdTe의 증착은 closed space sublimation(CSS)로 이뤄진다. 위 그림에서 source(CdTe)를 증발시켜 substrate에 증착시키는 것이다. CdTe는 congruently하게 증발한다고 한다. 무슨 뜻인지 찾아보니, Cd와 Te의 조성이 일치하도록 증발한다는 것이다. 예를 들어 Cd 40개, Te 60개 이렇게 증발하지 않고 Cd 50개, Te 50개 처럼 조성이 맞게 증발한다는 것이다. 때문에 증착할 때도 알맞은 조성으로 증착할 수 있다.

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여러 기업이 CdTe를 대량생산하기 위해 시도했지만 번번히 실패했다고 한다. US의 First Solar라는 기업이 성공하여 2GW/year 규모의 CdTe 태양전지를 0.6$/Wp보다 낮은 단가로 제조하고 있다. module의 효율은 17~18%이다.

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CIGS

박막 태양전지 중 한 종류로 구리(Copper) 인듐(Indium) 갈륨(Gallium) 셀레늄(Selenide)로 이뤄져있다.

인듐을 갈륨으로 대체하거나 셀레늄을 황으로 대체하여 lattice constant(격자 거리)를 조절하고 밴드갭을 조절할 수 있다.

CIGS는 위와 같은 구조를 갖는데, 이러한 구조는 chalcopyrite라 한다. Zinc blende 구조가 변형되어 만들어졌다.

존재하지 않는 이미지입니다.

Zinc blende 구조

출처: https://fr.wikipedia.org/wiki/Structure_blende

CIGS 구조

CIGS 태양전지에서 substrate 기판은 Mo로 덮여있다. 이 위의 CIGS 광활성층은 주로 1~2 ㎛두께이다. CIGS를 증착할 때는 갈륨의 조성을 점차 늘려가면서 증착한다. 이러한 박막의 조성이 두께에 따라 달라지면서 밴드갭도 두께에 따라 달라진다. 서로 다른 밴드갭은 서로 다른 파장의 빛을 흡수하므로 더 넓은 범위의 파장을 흡수할 수 있다. CIGS위에는 n-type CdS이 있다. 맨 위에는 ZnO:Al front contact이 있다.

CIGS의 밴드갭은 1.25eV, CdS의 밴드갭은 2.4eV, ZnO의 밴드갭은 3.3eV이다. CIGS와 CdS의 경계에서는 에너지 준위의 차이로 인한 spike가 나타나는데 이 높이가 약 0.3eV이다.

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CIGS를 증착하는 데에도 co-evaporation이 사용된다. 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4가지의 source를 동시에 증발시켜 증착 조성을 조절한다. CIGS의 문제점 중 하나는 안정성이다. 특히 ZnO-Mo contact이 습기에 약하다. 또한 4개의 source를 증발시켜야 하므로 비용 문제가 있다. 현재는 인듐을 Zn 추출 과정의 부산물로 얻는데 그 양이 한정적이라는 문제가 있다.