B. 박막 태양전지
2. CIGS 박막 태양전지
Cu, In, Ga, Se 등의 4가지 원소로 구성되어지는 CuInSe2, Cu(In, Ga)Se2
등의 Cu계 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 화합물 태양전지는 효율과 제조단가 측면에서 다른 태양전지보다 우수한 잠재력을 가지고 있다. CIGS 박막태양전지의 경우 날 씨가 흐린 날에도 발전효율저하가 적고, 산란광에서도 다른 태양전지에 비해 상대적으로 우수한 발전 성능을 보이는 것이 특징이다[41]. 이는 입사각의 영 향을 덜 받기 때문에 산란광에서도 우수한 발전효율을 보이고 있으며, 소재 의 고유 물성이 높은 광흡수계수를 갖고, 흡수 파장 영역대가 태양광 스펙트 럼과 거의 일치하는 물성 때문에 발전량이 결정질 실리콘 태양전지에 비해 높다[42].
CIGS 박막태양전지의 장점으로는 높은 광흡수계수(~105cm-1)로 인하여 두 께 1~2㎛의 박막으로도 우수한 성능의 태양전지 제조가 가능하고, 밴드갭 1.04eV 영역으로 결정질 실리콘 태양전지 대비 최소 100배 이상의 광흡수 특성을 가지고 있다[33,34]. 또한 결정질 실리콘 태양전지에서 채택하는 수광율 향상을 위한 텍스처링 구조를 이용하지 않아도 충분한 광흡수가 이루어지기 때문에 박막 태양전지에 적합하다 할 수 있으며, 장기적으로도 전기적 · 광 학적 안정성이 우수한 특성을 가지고 있다.
Fig. 7 Basic structure of CIGS thin film solar cell
- 20 -
이러한 장점으로 인하여 실험실 수준에서 19.9%의 변환효율로 보고되고 있다. 이는 여타 박막 태양전지에 비해서도 높을 뿐만 아니라 다결정 실리콘 태양전지의 최고효율인 20.2%에도 근접하였고, 모듈의 최고효율 또한 14%
대에 근접하고 있어서 효율적 측면에서 뚜렷한 장점을 가지고 있다. CIGS 박막 태양전지가 위와 같은 고효율 및 대면적 가능성의 장점에도 불구하고 산업화가 부진한 이유는 대량생산을 위한 상업적 CIGS 제조공정 확립이 되 지 않았으며, 핵심원소인 인듐의 가격이 높아 경제성이 불리하다는 단점이 있다.
CIGS 박막은 다양한 제조방법으로 제작되는데 진공증착 및 비진공방법(나 노프린팅, 전기도금, CBD 등)이 있다. 이 중 가장 많이 활용되고 있는 진공 증착법으로는 진공증발법(Vacuum evaporation)과 2단계 공정법이 대표적인 공정으로 알려져 있다[16,17].
진공증발법(Vacuum evaporation)은 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 단위원 소를 열 증발원을 이용하여 동시에 증발시켜 고온 기판에 박막을 형성하는 방법이다. 2단계 공정법은 그림 8과 같이 CIG 또는 CIGS 전구체 제작 중 셀 렌화(Selenization) 혹은 황화(Sulfurization)에 의한 공정이다. 진공증발법이 CIGS 증착과 동일한 챔버에서 셀렌화가 이루어지는 것과 달리 2단계 공정은 독립된 서로 다른 두 개의 챔버에서 셀렌화가 이뤄지는 것이 공정상의 차이 점이다. 2단계 공정법은 진공증발법에 비하여 박막의 균일성이 좋고, 소재의 활용도도 높일 수 있다는 장점이 있다[43~45].
Fig. 8 Two-step process for CIGS thin film
- 22 -