[한국에너지기술연구원 태양광연구실 송희은 박사] 현재 결정질 실리콘 태양전지 기술은 호주의 UNSW에서 발표한 PERL(Passivated Emitter Rear Local diffused) 구조를 중심으로 최근에는 Selective Contact형 태양전지와 이종접합, 후면전극형 구조를 결합한 HBC(Heterojuction Back Contact) 구조의 태양전지가 최고 효율을 기록하고 있다.

한국에너지기술연구원 결정질 실리콘 태양전지 플랫폼 센터 [사진=한국에너지기술연구원 태양광연구실]

2014년 파나소닉(Panasonic)은 HBC 구조를 적용해 25.6% 효율의 결정질 실리콘 태양전지를 개발했고, 2017년에는 카네카(KANEKA)에서 26.6% 효율의 태양전지를 발표해 세계 최고 효율을 갱신했으며 양산형 태양전지의 경우 PERC(Passivated Emitter and Rear Contact) 구조의 태양전지가 22% 이상의 높은 효율을 보이고 있다.

전 세계적으로 결정질 실리콘 태양전지 기술을 연구 중인 기관으로는 독일 프라운호프 ISE(Fraunhofer ISE), 벨기에 IMEC, 미국 NREL, 호주 UNSW, 일본 파나소닉 및 카네카, 중국 트리나솔라(Trina Solar) 및 징코솔라(Jinko Solar) 등이 있으며, 태양광 기초기술부터 산업에 적용할 수 있는 응용 기술까지 다양한 연구 결과를 발표하고 있다.

결정질 실리콘 태양전지 주요 국외외 연구기관. [표=한국에너지기술연구원 태양광연구실]

독일 프라운호프 ISE는 TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact) 구조를 적용해 단결정 25.6%, 다결정 21.9% 효율의 태양전지를 개발했고, 벨기에 IMEC은 n-PERT(Passivated Emitter Rear Total Diffused) 구조를 가지면서 태양전지의 양면이 모두 태양광을 흡수하는 양면수광형 태양전지를 개발해 22.8%의 효율을 발표했다. 미국 NREL의 경우, 고효율 태양전지보다는 태양광 기업과 연계된 기술적 문제 해결이나 태양광 모듈 및 시스템의 실증에 관한 연구에 집중하고 있다.

한편, 일본 파나소닉과 카네카는 HBC(Heterojuction Back Contact) 구조로 각각 26.33%와 25.6% 효율을 갖는 태양전지를 개발했고, 중국의 트리나솔라는 양산형 태양전지에서 Selective Emitter를 적용한 PERC(Passivated Emitter and Rear Contact) 구조로 22.61%의 양산형 단결정 실리콘 태양전지의 세계최고 효율을 발표했다. 또한, 징코솔라는 같은 구조의 다결정 실리콘 태양전지에서 21.63%(평균 효율 21.1%)의 효율을 갖는 양산형 태양전지를 개발한 기술을 보유하고 있다.

이 기업은 이미 태양광 폴리실리콘(한화케미칼)부터 시스템까지의 수직계열화를 성공적으로 이룬 통합형 태양광 기업이며, 2011년 다결정 웨이퍼 기반 효율 19.5%(양산 기반)로 세계최고 수준의 기술을 확보한데 이어 최근에는 1366사에서 만든 Kerfless Wafer를 이용한 다결정 실리콘 태양전지에서 효율 19.1%를 기록한 바 있다.실리콘 태양전지의 경우 한화큐셀, LG전자를 필두로 현대중공업그린에너지, 신성이엔지 등이 양산단계에서 고효율화 및 저가화에 초점을 맞춘 기술개발을 하고 있다. 한화큐셀은 2017년 기준 태양전지 생산량 1위, 모듈 생산량 5위의 명실공히 글로벌 태양광 업체로서의 입지를 굳히고 있다.

최근에는 Q.ANTUM 태양전지 브랜드를 통해 태양전지 모듈을 판매하고 있다. LG전자는 전면 멀티와이어 기술 및 양면수광형 기술을 도입한 태양전지를 양산하고 있으며, 양산 평균 약 22%의 고효율 태양전지를 생산하고 있다. 현대중공업은 22% 고효율 박형 n-type 셀 공정기술을 보유하고 있으며, 양산을 위한 추가 연구개발에 박차를 가하고 있다. 신성이엔지는 양산형 단결정 후면점접촉 구조의 태양전지에서 21.7%를 달성하는 등 우리나라 기업들의 기술력은 전반적으로 세계 선두그룹에 속한다.

한편, 태양광 기술을 연구 중인 연구소와 대학의 경우 다양한 분야에서 기업과의 공동 연구를 진행하고 있으며, 주요 연구 기관으로는 한국에너지기술연구원, 고려대학교, 성균관대학교 등이 있다.

차세대 고효율 태양전지 구조 단면도 [이미지=한국에너지기술연구원 태양광연구실]

한국에너지기술연구원의 실리콘 태양전지 연구현황
한국에너지기술연구원에서는 태양광 원천 기술을 개발하고 중소·중견기업의 경쟁력 제고를 위한 태양전지 제조공정 지원을 하고자 2016년 5월 실리콘 태양전지 플랫폼 센터 서비스를 시작했다.

연구원에서는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발 사업인 ‘태양광산업 원천기술 개발 및 중소·중견기업 경쟁력 제고를 위한 통합형 기술개발 플랫폼 구축 및 운영’의 지원을 받아 기존의 결정질 실리콘 태양전지 팹 센터를 기반으로 신규 장비 구축과 운영 방안을 마련해 플랫폼 센터를 운영하고 있다.

Full back Surface Field (BSF) 구조와 Passivated Emitter and Rear Contact(PERC) 구조의 태양전지 제조에 대한 공정 지원 서비스가 가능하며, 시간당 100장 이상의 Throughput을 가지는 장비를 구축해 기업에서 필요로 하는 서비스를 지원하고자 한다.

PERC 구조 태양전지 이후의 고효율 태양전지 양산기술로서 주목받는 차세대 태양전지 구조로는 실리콘 이종접합(Silicon Heterojunction, HIT), 터널접합(Tunneling Oxide Passivated Contacts, TOPCon) 및 후면접합(Interdigitated Back Contact, IBC) 구조 등이 거론되고 있다. 이 중, 후면접합 구조는 실리콘 이종접합/터널접합 등 구조와 병행해 사용 가능하며, 카네카에서 발표한 26.6%의 세계 최고기록 태양전지 역시 후면 이종접합 구조를 사용하고 있다. 이 차세대 태양전지 구조의 특징으로는 반송자 수명이 긴 n type Wafer를 사용하고, 고도의 표면 패시베이션 기술을 적용해 태양전지 내의 재결합이 현저히 억제되고 높은 개방전압을 보인다는 점 등이 있다. 

한국에너지기술연구원에서는 실리콘 태양전지에 대한 공정 연구, 공정지원 서비스뿐만 아니라 다양한 이론, 실습 교육도 수행하고 있으며, 이를 통해 기업에서 수행하고 있는 R&D 능력을 향상시키고자 한다. 실리콘 이종접합 및 터널접합 구조 태양전지 제조공정에서 특히 표면 패시베이션을 위한 다양한 박막 증착기술이 요구되며, 표면 패시베이션과 접촉층의 역할을 동시에 수행하는 부동태화 접점(Passivating Contact) 기술은 특히 기존 태양전지 공정에서는 구현되지 않는 기술로서 고효율 태양전지 대응기술 연구개발을 위해서는 표면 패시베이션 단위기술의 개발이 중요한 핵심기술의 하나로 여겨지고 있다. 플랫폼 센터에서는 향후 고효율 실리콘 태양전지인 후면접합 구조와 실리콘 이종접합 구조에 대한 공정 지원 서비스도 가능하게 하여 다양한 태양전지에 대한 대응이 가능하도록 할 예정이다.

[한국에너지기술연구원 태양광연구실 송희은 박사 (st@infothe.com)]

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