■ 태양광전지의 시장성

지구 온난화에 대한 우려와 함께 상승하는 오일 가격의 부담으로 태양에너지에 대한 관심이 증가하고 있다. 하지만 이와 더불어, 전 세계 경기 침체로 인해 태양광 산업에 대한 지원이 감소하고 있는 시점이다.

지구 전 영역에서 연간 소비되는 에너지양보다 태양으로부터 1시간 동안 받는 에너지양이 더 많음에도 불구하고, 현재까지 인류가 사용하는 에너지원으로 태양광에너지는 거의 활용되지 못하고 있다.

실리콘과 같은 반도체 물질을 통해 생성된 전기는 화석연료 또는 원자력 발전 같은 에너지원보다 여전히 2~3배가량 비싸다. 이러한 현실 속에서 무한한 에너지원이며 청정에너지인 태양광에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양광전지의 경쟁력을 확보하기 위해선 높은 효율의 태양광전지 개발뿐만 아니라 제조 단가를 낮출 수 있는 소재·공정 기술 또한 요구된다.

■ 실리콘 와이어 태양광전지의 우월성

실리콘 와이어 태양광전지는 실리콘 재료의 특성상 다른 물질들에 비해 쉽게 얻을 수 있다는 장점과 더불어, 공정이 용이하며 기존의 확립돼 있는 공정을 이용할 수 있어 기존의 결정질 실리콘태양광전지가 구축한 value chain을 활용한 산업화가 용이하다는 장점을 지닌다.

기존의 결정질 기판형 태양광전지는 짧은 수명을 갖는 소수캐리어(minority charge carrier, 반도체에서 전류 운송역할을 하는 전하운반자)의 수집을 극대화하기 위해 재료내의 결함이 극히 적은 초고순도 웨이퍼를 사용한다. 결함의 함량이 높으면 캐리어가 결함에 포획돼 p-n 접합으로부터 전극까지 살아서 가지 못하기 때문이다.

이러한 기존의 태양광전지는 웨이퍼와 나란한 방향으로 실리콘 내에 평평한 p-n접합을 형성하는 반면 실리콘 와이어 태양광전지는 이러한 접합이 와이어 표면을 따라 형성되는 radial p-n 접합 구조를 갖게 된다. 이렇게 되면, 아래 <그림1>에서와 같이 입사되는 빛의 방향에 수직한 방향으로 소수캐리어를 확산시킬 수 있게 된다. (기존 평면웨이퍼는 수평한 방향으로 확산)

이런 구조에서는 p-n접합으로부터 전극까지의 거리가 짧아져 상대적으로 순도가 다소 낮은 저가의 저순도 실리콘 재료를 활용해도 전하운반자를 성공적으로 수집할 확률이 높아진다.

기판형과 와이어 구조체를 이용한 태양광전지의 경제적 비용을 비교해보면, 저순도의 metallurgical grade(MG) 웨이퍼의 가격이 1.75~2.30달러/kg인 반면 고순도인 solar grade 웨이퍼를 제조하는데 사용되는 고순도 폴리실리콘의 시장가격은 25달러/kg 이상이므로, 저순도 웨이퍼를 활용할 수 있을 경우 제조단가에서 재료비를 10% 정도로 대폭 낮출 수 있는 근거가 마련된다.

▲ <그림 1>와이어 구조에서 소수캐리어의 짧은 확산 거리를 보여주는 모식도.

■ 저순도 실리콘의 정제에 의한 실리콘 나노와이어의 필요성

태양광전지 제작 단가 중 실리콘 재료는 40%에 달하는 높은 비중을 차지하는 요소로 저순도의 실리콘 웨이퍼를 고순도로 정제하기 위한 단계에서 많은 비용이 든다.

기존 태양광전지에 사용되는 기판형 태양광전지는 9N(99.9999999%)이상의 초고순도 실리콘 소모량이 많아 원가절감에 어려움이 있었다. 또 이러한 초고순도의 실리콘을 공급하기 위해 저순도 실리콘을 정제하는 데도 고온과 저온을 반복하는 여러 화학적 열처리 단계(지멘스 공법)를 거쳐야해 대규모 공정과 설비가 필요했다.

따라서 경제적 측면을 고려하면서, 동시에 광전변환효율에는 큰 저하를 가져오지 않는 정도의 solar grade 웨이퍼를 개발하는 것이 태양광전지 상용화에 있어 핵심난제였다.

반면 나노와이어를 이용한 태양광전지 제작 시에는 적은 실리콘 소모량으로도 기존 태양광전지의 효율에 도달할 수 있다는 장점과 더불어, 소수캐리어 수집에 용이한 구조를 지님으로써 저순도의 웨이퍼로도 고효율을 달성할 수 있다.

하지만 지금까지의 연구에서는 고순도 실리콘 웨이퍼를 사용해 나노와이어를 제작하거나, 고가의 공정을 거쳐 형성된 와이어를 통해 제작된 소자의 연구만 이루어져 왔다.

이에 필자는 독일 프라운호퍼 연구소장 랄프 베어스폰 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 세계최초로 저순도 실리콘인 MG -Si과 UMG-Si(upgraded metallurgical silicon)으로 부터 저가의 은 나노입자를 이용해 저순도 실리콘을 나노와이어 구조로 변경할 경우, 나노구조체로 변경 시에 실리콘이 자발적으로 정제됨을 발견하고 이의 기초 원리를 규명해 순도를 100배 가까이 높일 수 있는 기술을 개발했다.(이 기술은 미래창조과학부/연구재단이 지원하는 중견연구자사업 도약과제로 수행돼, 세계적 재료과학분야 학술지인 ‘Advanced Materials' (impact factor: 13.88)에 논문이 게재됐다.)

저가의 은 용액을 이용한 식각기술은 실리콘 표면에 은 입자를 달라붙게 한 후 입자가 부착된 부위만을 선택적으로 녹여내는 공정으로 실리콘이 기판에 수직으로 형성된 나노와이어 구조를 만들고, 이 과정에서 실리콘의 순도가 99.999772%에서 99.999899%로 100배 가까이 향상되는 자발적 정제현상을 보였다.

▲ <그림2>실리콘을 나노와이어 형태로 제작할 때 자발적 정제가 일어나는 개념도(上 순도 99.74%에서 99.9884%로, 下 순도 99.999772%에서 99.999899%로 정제되는 모습).

저순도 Si 정제 통한 고순도 Si 구현…비용 ↓

기존 상부전극 하부전극 대체…전극 효율 ↑

■ 저순도 실리콘의 정제에 의한 고순도 실리콘 나노와이어 형성 메카니즘

나노와이어 구조체를 형성하면 기존 기판형 태양광전지에 비해 표면적이 크게 증가돼 실리콘 내부에 존재하던 불순물이 표면으로 노출된다. 이로써 외부용액과의 접촉확률이 높아 실리콘 밖으로 빠져나오면서 자발적 정제가 이뤄지는 원리다.

이를 통해 기판형 대신 본 기술을 이용해 와이어형 실리콘 태양광전지를 제작하면, 실리콘 소모량을 낮출 수 있다는 장점뿐만 아니라 자발적 정제를 통해 저순도 실리콘의 사용으로도 고순도의 실리콘을 얻어낼 수 있다는 장점이 발생한다.

그 밖에도 재료비 절감과 더불어 실온에서 저가의 은 용액을 이용한 공정을 구현함으로써 공정비 또한 낮출 수 있다는 장점도 가진다.

▲ <그림3>실리콘 내부에 존재하던 불순물이 화학용액에 노출되며 녹아나오는 과정을 나타낸 모식도.

■ 기존 radial 접합 와이어 태양광전지의 난제 해결

실리콘 와이어 태양광전지가 가지는 높은 잠재력에도 불구하고, 현재까지 개발된 와이어 태양광전지의 효율이 기판형 태양광전지에 비해 낮은 효율을 보이는 주된 이유 중 하나는, 넓은 면적으로 태양광전지를 제작할 때 발생하는 효율 저하를 들 수 있다. 태양광전지의 면적이 넓어질수록 전지 효율에 미치는 영향이 커진다. 더불어 와이어 태양광전지의 경우 전극구조의 최적화를 위한 연구가 미비했다.

실제로 미국 캘리포니아 공과대학에서 보고된 연구결과에 따르면 10%정도의 광전변환효율을 보이는 와이어 한 가닥으로 와이어 배열을 이루는 태양광전지 제작 시 예측 가능한 효율은 17%이지만, radial 접합 와이어 태양광전지 개발에 있어서 지금까지 이에 상응하는 효율은 달성하지 못하고 있는 실정이다.

와이어 태양광전지는 기판형과는 달리 와이어 구조체가 갖는 높은 종횡비로 인해, 기존 평판 구조에 적용되는 상부전극을 동일하게 적용하기가 불가능하다. 따라서 충분히 고효율 달성의 잠재력을 가지는 와이어를 형성해도 전류로 수집되기까지 많은 손실이 발생하게 된다.
태양광전지에 사용되는 상부전극은 태양광전지의 흡수체 상부에 위치하고 있기 때문에, 흡수체로 빛이 도달하기 이전에 차단될 수 있다. 따라서 조사량을 늘리기 위해 투명한 재료를 사용하게 되며, 동시에 금속에 대응하는 높은 전기전도도가 요구된다. 이는 현재 상용화되는 기판형 태양광전지에 이미 적용이 되고 있다. 그러나 실리콘 와이어형 태양광전지는 표면에 수많은 실리콘 와이어들이 돌출돼 있어, 이미 적용되고 있는 투명전극을 도포하기에는 적합하지 않다. 기존 기판형 구조에서 적용되는 상부전극을 바로 적용하게 되면, 금속-반도체 간의 불안정한 접합 및 낮은 접촉면적으로 인해 광전변환효율의 현저한 저하를 보이게 된다.

필자의 연구팀에서 개발된 신개념 상부전극은 기존의 개념과는 달리, 하부전극 바로 위에 상부전극을 배치했다. 이는 와이어형 태양광전지에 최적화된 구조로, 하단에 전극이 배치돼 투명성이 요구되지 않아 투명전극의 사용을 배제하고 높은 전도도의 금속을 사용할 수 있다는 장점을 지닌다. 이와 더불어, 와이어 상단이 아닌 옆면에서 전극과의 접촉을 이루기 때문에 안정된 접촉면적을 확보할 수 있다.

기존 상부전극에서 효율적인 전류 수집을 위해 투명전극 위에 증착됐던 금속 전극의 경우, 최대한 태양광전지 내부로 조사되는 빛의 양을 확보하기 위해 얇고 긴 형태를 가지게 된다. 이 때 발생되는 낮은 전기 전도도를 해결하고자 10μm 이상의 높은 두께를 사용해 왔으나, 신개념의 전극구조를 이용하면 와이어 하단부에 전면적으로 금속을 도포할 수 있다는 장점을 통해 1μm 정도 두께의 금속을 사용해도 기존 전극과 동일한 전기 전도도를 나타냄을 보였다. 이로써 각각의 와이어를 완전히 둘러싸는 형태의 전극을 적용해 크게 개선된 전극 특성을 보고했다.

이 기술은 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 추진하는 신재생에너지 융합원천기술개발사업의 지원으로 수행돼 에너지 분야의 세계적 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’ (Impact factor: 9.6)에 게재됐다.

▲ <그림4>기존의 실리콘와이어 태양광전지의 상부투명전극 (左 상판). 이정호 교수 연구팀에서 개발된 신개념 상부 전극(右). 하부전극의 바로 위에 배치돼 태양광을 가리지 않고, 각각의 와이어를 완전히 둘러싸므로 전극 특성이 크게 개선됨..