박막 태양전지가 급부상하는 이유
‘제5회 신재생에너지 국제포럼’에서 신성철 에너지자원기술기획평가원장은 “현재 미국·독일·일본이 세계 실리콘 태양전지 시장 대부분을 점유하고 있으나 앞으로는 박막 태양전지가 급부상할 것”이라고 말했다. 현재 실리콘 태양전지가 시장의 주류를 이루고 있지만 고가의 실리콘을 대량으로 사용하기 때문에 수익성 악화가 불가피하다는 것. 이로 인해 유리와 플라스틱 등 저렴한 기판 위에 실리콘을 얇게 입히는 박막 방식이 기존 결정방식의 대항마로 급부상할 것이라는 주장이다.
최근 개발된 빛을 산란시키고 채널을 만들 수 있는 나노구조 덕분에 캘리포니아 샌 디에고대 연구진은 태양광을 전기로 변환하는 효율이 45%인 박막형 “단일 접합” 태양 전지의 개발에 박차를 가하고 있다. 기존의 단일 접합 전지가 갖는 31%의 이론적 효율 한계를 깨기 위한 연구진의 노력을 인정받아 그들은 최근 미자원부 산하 솔라 어메리카 프로그램에서 자금을 지원받았다.
2007년 11월 야곱 스쿨 에드워드 유 연구진은 반도체 양자 우물 및 광자 산란 나노입자 등의 나노구조체가 도입된 박막 및 나노와이어 태양 전지 장치을 낮춰 광자 흡수를 증가시킴으로써 태양 전지 효율을 증가시키게 된다.
과거 연구자들은 저에너지 광자의 흡수 가능성을 증가시키기 위해 양자 우물 구조를 적층함으로써 박막 태양 전지에 양자 우물을 적용하려 하였다. 하지만, 이러한 방식은 전자-홀 쌍이 양자 우물에 갇혀 전류 생성이 불가능해지기 때문에 좋지 않을 결과를 낳았다.
이러한 문제를 해결하기 위해 샌디에고 연구진은 나노입자를 이용하여 p-n 접합에 평행하게 배치된 양자 우물 영역 내의 경로에 유입 빛을 산란시킬 수 있었다(). 이는 전자와 홀이 탈출하지 못할만한 두께로 양자 우물을 적층하지 않고도 광자가 흡수될 수 있는 시간을 연장시키게 된다. 따라서 연구진의 시스템은 보다 얇은 양자 우물을 갖추고 있는데, 이는 흡수될 수 있는 광자가 양자 우물에서 보다 많이 생성되어 전류를 증가시킴을 의미한다. 이와 같은 원리에 의해 연구진은 높은 광자 흡수 효율, 높은 전자-홀 소집 효율을 동시에 얻어낼 수 있었다.
한편 개발된 시스템에서 광자는 양자 우물을 따라 장거리 경로를 통해 제공되며 캐리어는 짧은 전극 경로를 갖고 있다. 이러한 디자인은 광자 흡수를 최대화하는 반면 태양 전지에서 장치 효율의 주된 손실인 전자-홀 재조합 과정을 최소화하게 된다. 연구진은 이미 박막 장치의 기본적인 개념을 입증하였으며, 몇 년 내에 우수한 효율을 갖는 태양 전지가 시장에 소개될 것으로 기대하고 있다.
고효율 태양전지 제조를 위한 최첨단 레이저 응용 기술
최근 국제유가의 급격한 변동으로 인해서 세계 경제는 급속도로 불안해 하고 있으며 이와 맞물려서 최근에는 지구온난화의 문제가 심각하게 대두되면서 전세계적으로 온실가스 배출량을 의무적으로 감축해야 하는 상황이 도래하게 되었다. 따라서 각국에서는 화석연료의 의존성과 사용상 문제점을 근본적으로 해결하고자 대체 에너지로서 태양광발전이 급속도로 부상하게 되었다.하지만 태양광발전 산업의 급성장으로 결정형 실리콘 태양전지의 원재료인 폴리실리콘의수급 균형이 깨어지고, 태양전지의 낮은 셀 변환효율로 인해서 설치비용이 높아져 태양광발전 단가는 다른 신재생에너지에 비해 3~4배, 화석연료 에너지보다는 6~10배 이상 높아 태양광에너지가 일반인들에게 빠르게 보급되기에는 어려움이 있는 실정이다.
기존의 제조 공법으로는 결정형 태양전지의 셀 변환효율을 향상시키는데 장시간의 R&D가 필요하며, 실리콘 재료를 최소화할 수 있기 때문에 최근에 많은 관심을 보이고 있는 박막형 Si 태양전지는 낮은 셀의 효율, 대규모의 투자비 요구 및 Si의 증착 공정의 문제점 등으로 인해서 업체들이 박막형 Si 태양전지 사업에 선뜻 진입을 하고 있지 못하는 상황이다.
이러한 문제점을 개선하고자 셀 제조 업체에서는 기존 공정에 Laser 기술을 적용하여 셀의 효율을 높이기 위한 기술 개발에 노력을 하고 있다. 레이저 공법을 적용할 경우 기존 대비 제조원가의 상승이 발생되고 있으나 셀의 효율이 크게 향상되어 PV 산업에서 점진적으로 적용되고 있으며, 향후에는 태양전지 및 모듈 제조 공정 전 영역에 걸쳐 적용될 것으로 전망하고 있다.
그림. 태양전지 및 모듈 제조 공정에서 최첨단 레이저 기술의 응용 분야
(출처: 디스플레이뱅크, ‘고효율 태양전지 제조를 위한 최첨단 레이저 응용 기술’, 2008)
Tandem 구조의 박막 Si 태양전지를 양산시, μc-Si(micro crystalline Silicon) 박막을 증착할 경우 낮은 증착 속도로 인해 양산성이 현저히 떨어지는 문제점이 있으나, 최근 미국의 나노그램사는 CO2 레이저를 이용하여 μc-Si을 기존 PECVD 대비 증착 속도를 5배 이상 향상 시킬 수 있는 LRD(Laser Reactive Deposition) 공법을 개발하여 상용화를 위한 준비를 하고 있다.
이와 같이 태양전지 제조 기업들에게 고효율 태양전지 제조를 위해서 Hot Issue화가 되고 연구개발 활동이 활발해지고 있는 최첨단 Laser 응용 기술에 대해서 디스플레이뱅크는 ‘고효율 태양전지 제조를 위한 최첨단 레이저 응용 기술’ 리포트를 발간했다.
<리포트 주요 내용>
① 고효율 결정형 태양전지 제조를 위하여 Laser 기술을 이용한 Grooved Buried Contact / Fired Contact/ lass Cutting/ Drilling for MWT & EWT 개발 동향
② 고효율 박막형 태양전지 제조를 위하여 Laser 기술을 이용한 P1 Laser Scribing for CIS and CdTe TFPV/ P1/P2/P3 Laser Scribing for a-Si TFPV (Thin Film PhotoVoltaic) 기술 개발 동향
③ Si 고속 증착을 위한 LRD 기술 개발 동향
④ Kaneka의 See-Through PV Module 기술 소개
⑤결정형 및 박막형 태양전지 제조 장비 업체들의 기술 개발 활동과 현황
<Table of Contents>
1. 레이저 기술의 개요
1.1 레이저의 특성
1.1.1 레이저의 정의 및 특성
1.1.2 레이저의 발진 원리
1.2 PV 제조공정용 첨단 레이저
1.2.1 반도체 레이저
1.2.2 고체 레이저
1.2.3 기체 레이저
1.2.4 펨토초 레이저
1.3 PV 레이저 장비 기본 구성
1.3.1 레이저 및 광학계
1.3.2 레이저 통합 시스템 장비
1.4 첨단 레이저 응용 분야
1.4.1 전기/전자/PV 관련 레이저 응용
1.4.2 FPD관련 레이저 응용
1.5 최근 레이저 기술 개발 동향
2. PV 시장 동향 및 원가 분석
2.1 GLOBAL PV 시장 동향
2.2 SOLAR CELL 제조 원가 분석
2.2.1 Wafer based Solar Cell
2.2.2 Thin Film a-Si Solar Cell
3. 고효율 WAFER BASED SOLAR CELL 제조를 위한 레이저 응용 기술
3.1 웨이퍼형 태양전지 제조 공정
3.1.1 웨이퍼형 태양전지의 종류
3.1.2 웨이퍼형 태양전지 제조 공정
3.2 핵심 레이저 응용 기술 (KEY LASER APPLICATIONS)
3.2.1 Laser Edge Isolation
3.2.2 Laser Grooved Buried Contact
3.2.3 Laser Fired Contact
3.2.4 Front-Surface ID Marking
3.2.5 Laser Drilling for MWT(Metal Wrap Through) & EWT (Emitter Wrap Through)
3.2.6 Laser Texturing
3.2.7 Laser Stringer Soldering
3.2.8 결정형 태양전지 장비 메이커 동향
3.2.8.1 Centrotherm (독)
3.2.8.2 Schmid (독)
3.2.8.3 AMAT (Applied Materials)
3.3 LRD (LASER REACTIVE DEPOSITION)
3.3.1 LRD 기술
3.3.2 장비 메이커 동향
3.3.2.1 Nanogram (미)
3.3.2.2 코닉 시스템 (한)
4. 고효율 THIN FILM SOLAR CELL 제조를 위한 레이저 응용 기술
4.1 박막형 태양전지 제조 공정
4.1.1 박막형 태양전지의 종류
4.1.2 박막형 태양전지 제조 공정
4.2 핵심 레이저 응용 기술 (KEY LASER APPLICATIONS)
4.2.1 P1 Laser Scribing for CIS and CdTe TFPV (Thin Film PhotoVoltaic)
4.2.2 P1/P2/P3 Laser Scribing for a-Si TFPV (Thin Film PhotoVoltaic)
4.2.3 Edge Deletion
4.2.4 Panel ID Marking
4.2.5 PV Panel Laser Cutting
4.2.6 박막 태양전지 장비 및 패널 메이커 동향
4.2.6.1 Oerlikon (스)
4.2.6.2 AMAT (미)
4.2.6.3 ULVAC (일)
4.2.6.4 JEL(Jusung Engineering Ltd.) (한)
4.2.6.5 Kaneka & See-Through PV Module 기술 (일)
4.2.6.6 LTS(Laser Total Solution) (한)
4.2.6.7 EO Technics (한)
4.3 차세대 LRD(LASER REACTIVE DEPOSITION) 기술
4.3.1 차세대 LRD 기술
4.3.2 차세대 대면적 박막 증착 LRD 기술
5. INDEX
5.1. TABLE
5.2. FIGURE
* 본 리포트의 목차는 사정에 따라 추후 변경될 수 있습니다.
출처: 디스플레이뱅크
밀피타스(미 캘리포니아 주)=BW/뉴시스】 2008.11.12
광학·전자·에너지 애플리케이션용 첨단 제품 및 솔루션을 개발, 판매하고 있는 나노그램코퍼레이션(NanoGram Corporation)은 도쿄일렉트론(Tokyo Electron, Ltd., TEL)과 공동개발협정(Joint Development Agreement)을 체결, 기존 전략적 투자 관계에서 기술·시장개발 파트너로 협력을 강화했다고 11일 발표했다.
이번 협정에 따라 양사는 나노그램의 특허 기술인 실리콘 레이저 반응 증착(laser reactive deposition, LRD™) 공정에 기반한 첨단 박판 증착 툴을 개발하는 데 주력하게 된다. 이 플랫폼은 최근 급팽창세를 보이고 있는 박막 태양전지 시장을 겨냥한 것이다. 프로메테우스연구소(Prometheus Institute)에 따르면 2012년까지 전체 태양전지 시장은 40%까지 성장할 전망이다.
나노그램의 LRD 공정은 증착 속도에서 탁월한 우수성을 자랑한다. 비결정성·마이크로결정성 실리콘 증착 속도가 기존의 CVD 공정에 비해 획기적으로 빠르다. 양사의 공동개발 작업은 나노그램의 획기적인 저비용 다결정 실폴리(SilFoil™) 태양전지 모듈 사업에도 도움이 될 것으로 기대된다.
키란 드레인(Dr. Kieran Drain) 나노그램 사장 겸 최고경영자는 "TEL과 협력을 강화한 것은 당사에 대단히 중요하면서도 기쁜 사건이다. 당사와 당사 기술잠재력에 대한 TEL의 초기투자가 유효했음을 입증하는 것이기 때문이다. 이번 협력 확대를 통해 고속 실리콘 증착 툴에 대한 시장 수요를 겨냥한 기술개발에 박차를 가하고자 한다."고 말했다.
마이크 야마구치(Mike Yamaguchi) TEL벤처캐피털(TEL Venture Capital) 사장은 "나노그램에 대한 투자 성과에 만족하고 있다. 이번 공동기술개발 협정을 통해 양사 협력을 더 확고히 하는 한편 주요 타깃 시장에서 더 큰 기회를 창출할 수 있으리라 기대한다."고 밝혔다.
이날 발표는 나노그램이 미 에너지부 산하 에너지효율·재생에너지국(EERE)으로부터 자사의 실폴리 다결정 태양전지 제품에 대해 '에너지 혁신상'(Energy Innovator Award)을 수상한 데 뒤이은 것이다. 나노그램은 2009년 말까지 5메가와트급 용량을 구축할 계획이다.
▲ 나노그램 (NanoGram, www.nanogram.com)에 대하여
나노그램코퍼레이션(NanoGram Corporation)은 청정기술 솔루션 분야를 개척한 세계 굴지의 기업으로, 고객 및 협력업체가 과거 불가능하게 여겨지던 제품과 시스템 성능을 구현할 수 있도록 지원하고 있다. 나노그램은 실리콘 기반의 태양전지를 비롯, 광학·전자·에너지 제품용 첨단 나노소재, 가공기술, 생산 툴을 개발·제조·판매한다. 나노그램은 또한 검증된 소재 생산공정, 표면처리 및 도포 기술, 프로세스 전달 기술, 지속적 지원을 아우르는 종합적인 라이선싱 패키지를 제공한다.
▲ TEL(www.tel.com)에 대하여
1963년 설립된 TEL은 전 세계 시장에 첨단 반도체와 FPD 생산장비를 공급하는 유수 기업이다. TEL은 글로벌 공급업체로부터 조달한 컴퓨터 네트워크 관련 제품 및 전자부품을 일본 시장에서 유통하는 사업도 벌이고 있다. 이처럼 다양한 취급 상품군을 지원하기 위해 TEL은 전 세계에 전략적으로 지사를 운영하고 있다. TEL은 도쿄증권거래소에 상장된 상장 기업이다.
[본 기사자료는 해당 기업에서 원하는 언어로 작성한 원문을 한국어로 번역한 것이다. 그러므로 번역문의 정확한 사실 확인을 위해서는 원문 대조 절차를 거쳐야 한다. 처음 작성된 원문만이 공식적인 효력을 갖는 발표로 인정되며 모든 법적 책임은 원문에 한해 유효하다.]
▲ 연락처:
나노그램코퍼레이션
미시 바인드세일(Missy Bindseil), +1-830-237-9527 (미국)
mbindseil@nanogram.com
교이치 미야모토(Koichi Miyamoto), +81 3 5366 2431 (일본)
kmiyamoto@nanogram.com
피트 한(Pete Han), +82 2 527 8300 (한국)
phan@nanogram.com
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Laser Reactive Deposition (LRD™)
In NanoGram’s Laser Reactive Deposition (LRD™) process, particles synthesized by the same method as NPM™ process are directly deposited onto a platen or substrate. Deposition occurs by a combination of inertial, thermophoretic, and/or electrophoretic forces. Heat generated from the exothermic combustion and particle formation processes are transferred to the particles.
The uniformity of the laser reaction zone generates a highly uniform particle stream which leads to highly uniform deposition. The LRD™ process has achieved very high quality deposition of optical doped-SiO2 glass film; in terms of defect count, purity, composition uniformity, thickness uniformity, and low stress.
Because of precursor flexibility, the LRD™ process is capable of creating a wide range of complex film compositions. In addition, the modularity of laser zones modules enables sequential multi-layer depositions.
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