이 주 야 기자

태양전지 시장은 현재 중국·유럽 업체들이 주도하는 결정질 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만 제조비용이 높은 단점이 있다. 반면, 박막 태양전지는 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 불리고 있으며, 국내 대기업들도 잇따라 참여하고 있다. 다만 아직까지 박막 태양전지의 낮은 효율을 개선해야 하는 문제와 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있어 상용 태양전지 개발을 뒷받침할 수 있는 기반 기술개발이 시급하다.

한국표준과학연구원(KRISS) 재료측정표준센터의 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 ‘다성분 합금인 Cu(In,Ga)Se2(이하 CIGS) 박막의 조성’을 정확하게 분석하는 기술을 개발했다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있다. 현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율을 보일 것으로 알려졌다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용해 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했으며, 특허 등록을 완료했다. 이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용해 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술이다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있다. 이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문이다.

따라서 이번 분석기술 개발은 공정 조건 변화에 따른 CIGS 박막의 조성 및 깊이분포를 분석하고 모니터링 하여 공정을 최적화함으로써 태양전지 제조에 대한 이력관리를 가능하게 해 국내 박막 태양전지 산업의 새로운 원천기술 개발을 촉진할 것으로 기대된다.

김경중 박사는 “CIGS 박막 태양전지가 일본, 독일, 미국 등 선진국에서 이미 상용화되고 있으며, 우리 기업들의 투자도 계속되고 있다”며 “관련 분야에 적합한 조성 분석법 개발을 통해 해외 업체들과의 경쟁구도에서 품질로써 경쟁력을 갖출 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했다. 즉, 균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인할 수 있었다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 계획이다. 또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC : Key Comparision)를 주도해 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지켜나갈 계획이다.