태양전지의 기본 원리와 미래

태양전지의 구조와 종류

태양전지는 빛을 전기로 직접 바꾸어 주는 전자 소자이다. 태양전지에 비춰진 빛에 의해 전류와 전압이 생성되고, 그 결과 전력을 얻을 수 있다. 이 때 전기에너지는 두 과정에 의해 외부 회로에 공급이 된다.
첫째, 물질 내에서 빛 흡수로 인해 전자는 바닥상태(에너지가 안정된 상태)에서 들뜬 상태(에너지가 높은 상태)로 이동한다. 둘째, 이러한 들뜬상태의 전자가 태양전지로부터 외부 회로로 이동한다. 그리고 외부회로에서 전자가 가진 에너지를 소비한 후에 다시 태양전지로 되돌아온다.

그림 2는 전형적인 태양전지 구조를 나타낸 것으로 기본적으로 에미터(emitter)인 n층과 베이스인 p층으로 구성되어 있다. 표면에는 보통 빛이 투과할 수 있도록 전극을 총 표면적의 5~15% 사이로 만들고, 후면에는 전 면적에 걸쳐 전극이 형성되어 있다. 또한 표면에는 빛의 반사를 방지하는 산화막이 코팅되어 있다.

태양전지는 크게 그림 3과 같이 소재에 따른 분류와 이용 분야 또는 태양전지 구조에 따른 분류로 나눠 생각할 수 있다.

<재료에 따른 분류>

(1) 실리콘 태양전지(Silicon Solar Cell)

- 단결정 실리콘 태양전지(Single Crystalline Silicon Solar Cell)
- 다결정 실리콘 태양전지(Poly Crystalline Silicon Solar Cell)
- 비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Silicon Solar Cell)

(2) 화합물 반도체 태양전지(Compound Semiconductor Solar Cell)
- |||-V족 화합물계 : GaAs, InP, GaAlAs, GaInAs 등
- ||-VI족 화합물계 : CuInSe2, CdS, CdTe, ZnS 등

(3) 적층형(tandem) 태양전지
- 화합물/VI 족 계열 : GaAs/Ge, GaAlAs/Si, InP/Si 등

<이용목적 및 구조에 따른 분류>
(1) 지상용 태양전지
- 결정형 : 단결정, 다결정, 실리콘 태양전지, GaAs/Si 등
- 박막형 : 비정질 실리콘, CdS, CdTe, CuInSe2 등
- 집광형 : GaAs 계열, 적층형 등

(2) 위성용 태양전지
- IV 족 : 단결정 실리콘, Ge(저온용)
- GaAs 계열 : GaAs, InP 등
- 적층형(tandem) : GaAs/Ge, GaInP/GaAs, GaAlAs/GaAs

미래의 태양전지

태양전지 산업은 현재 연간 약 30%씩 성장하고 있는 고성장 산업이다. 선진국은 2-30년 전부터 태양전지산업을 위해 투자해 오고 있고 개발도상국인 중국은 가히 천문학적인 숫자의 투자를 지속하여 세계시장에서 각축전을 벌이고 있다.

현재 약 80% 이상의 시장을 점유하고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 이미 그 기술이 많은 나라에서 개발되어 대량 생산 단계로 넘어갔고, 미래의 태양전지인 박막태양전지, 유연 태양전지 그리고 광합성 원리를 이용한 염료 감응형 태양전지가 각 나라에서 연구 개발되고 있고 머지않은 장래에 산업화 될 전망이다.

이 장에서는 미래의 태양전지를 중심으로 태양전지의 원리와 구조를 살펴보도록 하겠다.

◆ 박막 화합물 반도체계 태양전지=실리콘 이외에 반도체 특성을 갖는 화합물은 이미 알려진 Ga-As 이외에도 여러 가지 화합물이 존재한다. N(4)족 원소의 반도체 특성은 III-V족, II-VI족, I-III-VI족 화합물등 많은 종류의 화합물에서 나타난다. 태양광 발전도 마찬가지이며 이러한 화합물들은 아직도 발견되고 있다.

가장 각광을 받고 있는 화합물 반도체가 CuInSe2, CuGaS2 그리고 CuGaSe 의 Chakopyrite 계 화합물이다.
반도체 특성의 Band Gap이 낮아야하지만 이상적인 Band Gap은 1.4eV 정도로 알려져 있다. CuInSe는 1.04eV의 Band Gap을 나타내 이를 다소 보완하기 위해 여러 화합물이 개발되었고 CuGaSe2의 경우 1.6eV, CuGaS2는 2.5eV이다.

또 CdTe와 CdSe가 II-VI족 반도체 화합물로 Band Gap이 1.45eV로 나타나 이론적으로 매우 이상적인 화합물이 될 수 있다. III-V족 화합물 화합물로는 GaAs, InP 등이 알려져 있고 GaAs의 Band Gap은 1.4eV정도로 최적변환 효율을 가져올 수 있으나 가격이 비싸 인공위성용으로 많이 사용되고 있다.

이러한 화합물이 기판위에서 적층 구조로 결정성장을 하기 위해 현재 반도체 제조공정에 쓰이는 CVD 공정이 주로 사용되어진다. 또 이들이 CVD 반응기 내에서 반응의 결과를 만들어져야 하므로 이들 반도체 화합물이 만들어지기 위해서는 그 반응 전조물질인 Pre-Cursor 화합물의 제조 산업이 이 산업분야의 원료산업이 될 수 있다. 이 분야 역시 한국이 매우 취약한 분야이나 최초 국내의 대기업 및 벤처기업이 많이 참여하기 시작하였다.

화합물 반도체 중 가장 상업화가 가능성이 높은 CuInSe2를 사용한 태양전지는 1980년대 미국 보잉사가 기존의 단결정실리콘(20 W/kg) 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수한데, 우주용 태양전지에서 가장 중요한 요소인 단위중량당의 발전량이 현재 단일접합에서도 약 100 W/kg으로 기존의 Si이나 GaAs 태양전지의 20～40 W/kg에 비해 월등히 우수하다.

또한 1980년대 말부터는 저가 고효율의 지상발전용 박막태양전지를 목표로 선진국에서 집중적으로 기술개발이 추진되고 있는데, Band Gap 1.2 eV의 단일접합 CuInGaSe2 태양전지에서 최고 변환효율 19.2% 달성하여 기존 웨이퍼 형태의 다결정실리콘 태양전지의 최고효율(19.8%)에 근접하고 있다. 그림 4에 CIS계 태양전지의 적층 구조를 나타내었다.

이러한 화합물 반도체는 광흡수가 뛰어나 매우 얇은 두께로도 실용 가능한 반전효율을 나타내고 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

◆ 유연성 태양전지=현재의 태양전지는 단단한 기판이 형성되어 있기 때문에 어느 정도 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변하거나 부서지게 된다.

하지만 유연성 태양전지는 마음대로 구부러지고 휘어지는 태양전지를 의미한다. 따라서 상황에 따른 형태의 변형이 가능하고, 유기/폴리머, 박막형 태양전지의 경우에는 가볍기 때문에 휴대가 가능하게 된다.
이러한 태양전지가 가능한 이유는 박막형 태양전지의 발전과 유연성 기판의 발전이 있었기에 가능한 것이다.

유연성 태양전지는 결합 조직의 기본 물질의 유연성의 여하에 따라 결정된다. 제조 기술은 기본적으로 박막형 태양전지 제조 기술에 기본을 두고 있다. 전체적인 제조 기술은 박막 태양광전지의 제조 기술과 크게 다르지 않다. 어떤 종류의 기질을 사용하는가에 따라 제조 기술이 결정된다.

◆염료 감응형 태양전지=앞서 언급한 반도체 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용한 고효율의 광전기 화학적 태양전지의 메커니즘이 1991년 Gratzel에 의해 ‘네이처’에 전환효율 7.1%가 보고, 제작되어 염료 감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)로 알려지게 되었다.

DSSC의 전환효율은 와이드 밴드 갭 반도체인 TiO2 (밴드 갭 : 3.2eV)를 사용함으로써 높은 전환효율을 얻을 수 있었으며 현재는 11% 이상의 에너지 변환효율을 보이고 있어 2007년 티모테크놀러지의 상업화 계획이 발표되는 등 많은 관심을 모으고 있다.

DSSC는 태양으로부터 입사되는 에너지의 약 44%에 해당하는 가시부 파장영역의 빛을 효과적으로 이용하기 위하여 가시부에 선택적 빛 흡수대를 가지는 색소분자를 이용하고 있으며, 일반적으로 색을 나타내는 발색단(Chromophore)을 포함하는 모든 분자를 색소라고 정의할 수 있지만, 섬유나 반도체 전극 등의 다른 기질에 흡착특성을 부여하는 조색단을 포함하는 경우 염료라 정의하므로 염료 감응형 태양전지라 명명하고 있다.

DSSC의 경우 기존의 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 에너지 효율을 가지며 제조단가는 1/5 수준이라는 저가, 고효율 특성과 함께 다양한 응용성을 지니고 있어 많은 연구자 및 기업의 집중적인 관심의 대상이 되고 있다.

기존의 태양전지와 달리 태양에너지를 흡수하는 역할의 염료분자와 전자를 통한 전하의 이동을 담당하는 와이드 밴드 갭 반도체의 역할이 분리되어 있으며, 염료분자에 생성된 정공은 산환-환원 과정을 이용한 전해질에 의하여 환원됨으로써 태양전지의 작동 과정이 완성되는 원리를 이용하고 있다.

DSSC의 전체 국가별 특허 출원 동향을 보면 1991년 EPEL (Ecole Polytechinique Fedrale de Lausanne)의 특허 출원 이후 매년 증가하여 2003년 2백50여 건의 특허가 출원되는 등 세계적으로 활발한 연구가 수행되어 지고 있음을 알 수 있다.

그림 6에서 DSSC의 일반적인 구조를 나타냈다. TCO 전극위에 나노미터 크기의 와이드 밴드 갭 반도체 미립자가 적당한 간격으로 쌓여져 있는 구조를 가지며 반도체 미립자 표면에는 염료가 흡착되어 있다. 반도체 미립자와 전극과의 사이에 전해질 용액이 주입되어 있으며 그 위에 Pt 전극이 있는 간단한 구조를 가지고 있다.

일반적으로 그림에서 표시한 것과 같이 반도체 소재로는 TiO2를 이용하고 염료 분자는 Ru-complex를 사용하고 있다.

다음 그림 7에 염료 감응형 태양전지의 작동 원리를 표시하였다. DSSC에서 전자-정공쌍의 분리는 염료분자가 화학적으로 흡착된 나노입자 반도체 산화물 전극의 표면에서 이루어지게 된다.

태양광이 흡수되면 염료 분자의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 에너지 레벨에서 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital)로 전자 천이이가 발생되고 이 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다.
주입된 전자는 산화물 전극의 입자간 계면을 통하여 전도성 막으로 이동하고 전류를 생성하고 된다. 이 때 염료분자의 HOMO에 생성된 홀은 전해질에 의하여 환원되어 태양전지의 작동과정을 완성하게 된다.

미래에 대한 제언

태양전지 산업은 현재 결정질 실리콘계 태양전지가 85%의 시장을 점유하고 있고, 나머지 15%정도는 화합물 반도체계 박막 태양전지가 점유하고 있다. 또 2010년 태양전지 세계시장 규모는 약 30조원을 상외 할 것으로 보인다. 하지만 시장의 성장 속도가 가속화돼 선진국과 개발도상국들이 앞 다투어 시장에 뛰어들고 있고 2020년의 시장을 현제의 10배 수준으로 예상하고 있다.

또 앞서 살펴보았던 미래형 태양전지의 시장에서의 약진이 점쳐지고 있어서 다소 시장진입에 늦은 우리나라도 미래의 태양전지 분야에서는 승산이 있는 것이 사실이다.

정부의 녹색성장 정책에 맞추어 새로운 성장 동력을 찾기에 매우 적합한 분야라 할 수 있고 향후 20년간 이 분야는 전문 인력의 부족사태를 겪게 될 것이다. 이에 태양전지 고급 전문 인력의 양성이 시급하다 하겠다.

정재학 교수(디스플레이화학공학부)