고효율 실리콘 태양전지 적용을 위한 신 전극재료에 대한 연구

Abstract

태양 에너지는 산업 발전에 따라 대두 되고 있는 에너지와 환경과 관련된 문제들을 동시에 해결할 수 있는 좋은 대안으로 주목 받고 있다. 현재 대부분의 발전량을 차지하고 있는 원자력이나 화력 발전의 경우 발전 단가 측면에서는 경제적이기는 하지만 방사능 폐기물이나 환경오염 등의 심각한 문제를 항상 수반하고 있다. 따라서 최근에는 전 세계적으로 에너지와 환경문제가 동시에 이슈로 제기되고 있으며 이런 상황 속에서 태양광, 풍력, 그리고 조력 발전 등과 같은 청정에너지 관련 기술이 최대 화두가 되고 있고, 그 수요도 급격히 증가 하고 있다. 특히 전 세계 에너지 발전량 중 신 재생 에너지의 비중은 2004년 13 % 에 불과 했지만 유럽을 중심으로 2020년에는 그 비중이 35 % 까지 증가할 것으로 예상하고 있다. 또한 이 중 태양광 에너지의 비중은 2000년 초반에는 0.07 % 에 불과하였으나, 최근 연평균 35∼4 0% 의 성장세를 보이며 2050년까지 4,142배 증가하여 전체 전력 소비량의 25 %, 신재생 에너지 전력 생산량의 31 % 에 달할 것으로 전망되고 있다 [1]. 태양광 시장의 급성장의 이유는 태양전지의 광전변환 효율이 빠르게 향상 되고 있고, 풍력이나 조력 발전과 같은 다른 신재생 에너지에 비해 환경적 제약이 가장 적을 뿐 아니라 소형화가 가능하여 다양한 응용 분야와 융합 될 수 있기 때문이다. 특히 바이오 분야에 있어서 센서 및 진단기기 등의 기술과 함께 융합된다면 산업적으로도 고 부가가치를 창출 할 수 있을 것으로 예상 된다. 따라서 현재 벌크 실리콘 계열의 태양전지 이외에도 염료감응형, CIGS, 그리고 비정질 실리콘 태양전지와 같이 박막 태양전지에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만 박막 태양전지의 경우 대부분 양산을 위한 초기 설치비용이 비싸고, 아직 신뢰성 문제가 완전히 해결되지 않았을 뿐 아니라 벌크 실리콘 태양전지 이상으로 고효율을 구현하기 위해서는 아직 기술적으로 한계가 있다 [2]. 그리고 태양전지는 정량적으로 1 % 의 변환 효율이 향상될 경우 6 % 의 생산 단가를 감소시키는 효과가 있기 때문에 추가적인 고 효율 달성을 위해 실리콘 태양전지의 경우에도 구조나 공정을 변화하는 등 다양한 시도가 진행되고 있다 [3]. 특히 에미터 저항 향상을 통해 고효율을 달성하려고 하는 노력이 가장 활발히 진행되고 있으며 이를 위해서 산업에서는 값비싼 레이저 장비까지 과감히 도입되기도 하는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 최근 급변하고 있는 벌크 실리콘 태양전지 기술 경향에 효과적으로 대응하기 위해 태양전지의 효율과 직결된 핵심 소재인 전면 Ag 전극과 관련하여 새로운 차별화된 연구를 진행하였다. 특히 고효율 달성을 위해 에미터 저항을 향상 시킨 High emitter cell을 구현하는 데에는 추가적인 공정이나 재료가 부가적으로 필요하다. 대표적인 방법으로는 확산 공정을 추가하여 2 단계로 진행하거나, 별도의 doping 페이스트를 사용하여 Ag 전극이 형성되는 부분에만 선택적으로 도핑 농도를 높이기도 하는데, 이러한 부가적인 공정이나 재료 없이도 고효율 태양전지를 구현이 가능한 신 전극 재료에 대한 연구를 진행 하였다. 분무열분해법을 통한 은-산화물 입자 합성 및 N 형 도핑 소재에 대한 고찰을 통해 최고 0.5 % 의 광전변환효율 향상을 확인 하였을 뿐 아니라 분무건조법을 통해 Ag 의 함량을 낮추면서 동등 이상의 특성을 구현하기 위한 입자 합성 및 이들의 가능성에 대해 확인 하였다.