인류가 최초로 불을 발견한 이후 '제2의 불'(전기)은 비약적인 산업발달을 가져왔으며 근대화의 길을 활짝 열었다.
인체에 있어서 혈액과 같은 에너지자원의 활용은 현대의 고도화된 과학기술문명을 낳은 원동력이 되었고 시간이 흐를수록 그 비중은 커지고 있다. 그러나 현재 사용하고 있는 화석연료(석탄 석유 천연가스 등)는 그 매장량이 한정되어 있으므로 지금의 추세대로라면 가까운 장래에 천연에너지자원의 고갈이라는 심각한 문제에 당면하게 될 것이다.
제3의 불, 태양에너지
1973년 유류파동이후 미국, 일본과 유럽 선진각국에서는 기존의 자원을 대체할 수 있는 '제3의 불'의 혁명을 주도할 새로운 에너지원의 개발을 위한 연구가 본격화되었으며 원자력(핵분열 및 핵융합), 태양광 및 태양열, 풍력, 지열, 수소전지, 폐열 등이 다양하게 검토되었다.
그런데 이들은 대부분 환경오염을 포함하여 사회적 안정성 및 경제성면에서 2000년대의 에너지원으로서는 부적합한것으로 지적되었다. 그러나 태양의 빛에너지를 직접 전기에너지로 전환시킬 수 있는 태양전지를 이용할 경우에는 환경오염이 없는 무상의 태양에너지를 거의 영구적으로 활용할 수 있게 된다.
태양으로부터 나오는 에너지는 잘 알려진 바와 같이 수소 핵융합반응으로 말미암은 것이다. 즉 1초 동안에 6×${10}^{11}$㎏의 수소(${H}_{2}$)가 헬륨${H}_{e}$)으로 전환되는 과정에서 약 4×${10}^{3}$㎏의 질량결손이 일어나고 이로부터 아인슈타인의 에너지와 질량의 등가법칙(E=m${c}^{2}$)에 의하여 약 ${10}^{20}$칼로리(Calorie)의 에너지가 방출된다. 이 에너지는 주로 전자기파(electro magnetic wave)형태로 방사되며 대기권을 통과하면서 수증기나 오존(${O}_{3}$)층에서 적외선과 자외선이 흡수되고 또 기타 이물질에 의하여 산란되어 평균적으로 단위평방미터(1㎡)의 면적마다 약 8백44와트(W)의 에너지가 지표면에 도달하는 셈이다. 따라서 우리가 이용하는지 하지 않든지 태양이 존재하는 한 끊임없이 공급되는 이 유용한 에너지를 반도체 발전소자를 통하여 전기에너지로서 활용할 수 있는 태양전지의 개발에 관한 연구가 주목되고 있다.
태양전지를 실용화하기 위하여 해결되어야 하는 문제는 첫째 제조비용, 둘째 변환효율, 세째 작동수명으로서 이들의 상관관계에 의하여 경제성 여부가 결정된다.
최초의 태양전지는 1954년에 채핀(Chapin), 풀러(Fuller)와 피어슨(Pearson)등에 의하여 제작된 확산형 PN접합 규소(Si)태양전지였다. 그후 레이놀드(Raynold) 등에 의한 황화카드뮴(CdS)태양전지를 비롯하여 지금까지 단결정(single crystal), 다결정(polycrystal)과 비정질(amorphous) 재료들을 이용한 여러가지 형태의 태양전지가 개발되고 있다.
1956년 당시 우주계획에 이용하기 위하여 제작한 단결정 규소태양전지의 경우, 최대출력으로 1와트를 얻는데 소용되는 이 전지의 제조단가는 3백50달러이었으나 1980년대에는 5달러정도로 낮아졌으며 1990년대까지는 0.5달러 이하로 목표를 설정하고 있다. 이 가격은 태양전지의 설비비가 지금보다 30%이상 절감되어야 현실화될 수 있을 것으로 전망된다.
10%면 경제성 확보
태양전지를 지상의 동력원으로 실용화하기 위한 연구는 크게 두가지 형태로 구분된다. 한가지는 제조비용이 들더라도 효율이 높은 단결정 태양전지를 제작하고 집광장치를 사용하여 최대한의 출력을 얻는 방법이며, 다른 한가지는 효율이 단결정인 경우보다는 떨어지지만 비정질 또는 다결정 재료를 사용하여 박막형 태양전지를 저렴하게 제작하는 것이다. 그런데 집광장치를 사용하는 경우에는 단결정 태양전지 자체의 제조비용보다 집광장치의 전반적인 비용이 더 큰 비중을 차지하는 단점이 있으며 박막형인 경우에는 재료를 적게 사용하고 저렴한 제조공정을 이용할 수 있으므로 제조비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
박막형 태양전지는 효율이 10%이상이면 경제성을 갖게되어 실용화가 가능한 것으로 알려져 있다. 박막제조기술은 박막형 재료의 제작 뿐만 아니고 전지에 전극을 형성하거나 입사광의 반사율을 감소시키기 위한 보호막을 제작하는데 이용되므로 실질적으로 지상용 태양전지의 개발에 필수적이다. 이러한 박막제작의 대표적인 방법에는 진공증착, 스퍼터링, 액체 및 기체성장, 화학증착 등이 있다.
태양전지의 작동원리와 그 구조를 살펴보면 다음과 같다. 태양전지는 반도체재료가 빛을 흡수할 때 생성되는 전자(음전하 반송자) 및 정공(양전하 반송자)쌍을 전기적으로 분리시킬 수 있는 PN접합 또는 숏키(Schottky) 접합(금속과 반도체 사이의 접합)과 분리된 전기(전자 및 정공)를 포집하는 전극으로 구성된 독립적인 발전소자이다.
(그림1)은 PN 접합 태양전지에 빛이 흡수되는 과정을 도식화한 것이다. 태양으로부터 방사되는 빛이 반도체 재료에 입사되면 재료 내에서 전자들이 그 에너지를 받아 들뜬 상태로 되며 빛의 입사에너지가 충분히 커서 반도체재료의 에너지금지대폭(전자와 정공의 전기적 위치에너지 차이)이상일 때에는 전자의 들뜬 상태로 커져서 처음상태보다 더 높은 위치에너지 준위로 올라가면서 처음있던 자리가 비워져 정공이 만들어진다.
이렇게 생성된 전자 및 정공쌍들은 접합부의 전기장(정공에 의하여 전류가 흐르는 P형반도체와 전자에 의하여 전류가 흐르는 N형 반도체를 접합하면 그 부분에서 전자와 정공의 확산전류가 흘러서 전기장이 발생한다. 그림에서는 기울기로 나타나 있다)에 의하여 전자는 음극쪽으로, 정공은 양극쪽으로 분리되어 양쪽 단자에서 수집되며 적정한 전력조절장치와 축전장치 등을 통하여 그 전기를 이용하게 된다.
태양전지의 작동능률을 나타내는 기본적인 변수는 효율이며 이것은 태양전지에 입사된 태양광에너지에 대하여 태양전지에서 얻을 수 있는 최대의 전기에너지의 비율로써 결정된다. 따라서 효율이 10%이라고 하면 태양광 입사에너지의 10%를 전기에너지로 변환시킬 수 있다는 것을 의미한다.
태양전지 소재로써 개발될 수 있는 재료는 태양전지의 작동원리가 독특하므로 그에 적합한 특성을 가져야 한다. 그들중에서 중요한 몇가지를 들면 첫째 빛의 흡수층으로 이용되는 재료는 흡수성이 커서 얇은 두께에서도 많은 흡수가 일어날 수 있어야 하며 또한 전기적으로 안정하면서 다양한 파장의 태양광을 흡수할 수 있도록 에너지금지대폭이 적합해야 한다. 또한 생성된 전자와 정공의 수집확률을 높이기 위하여 소수반송자(P형반도체인 경우에는 전자가, 그리고 N형반도체인 경우에는 정공이 소수반송자가 된다)의 확산거리는 길수록 좋다.
둘째로 빛의 투과층으로 이용되는 재료는 가능한한 대부분의 빛을 통과시킬수 있도록 재료의 에너지금지대폭이 클수록 좋으나(에너지금지대폭이 크면 태양광 중에서 큰 에너지를 갖는 소량의 빛들만 재료 내에서 흡수되고 나머지 파장의 빛들은 통과된다) 전력손실을 줄이기 위하여는 전기 저항이 낮아야 한다.
그 외에도 각각의 N, P형 재료에 저항이 낮은 전극을 형성할 수 있어야 하며 생산면에 있어서는 다면적 제작 및 자동화가 가능한 공정을 이용할 수 있는가, 재료의 원가는 자렴한가, 전지의 작동수명은 충분한가 등의 검토를 거쳐야 한다.
이러한 기준에 만족되고 가장 활발하게 연구되고 있는 태양전지의 재료들에는 단결정재료로서 규소, 갈륨비소(GaAs) 등이 있고 박막형재료로서 비정질규소, 구리인듐셀레늄(CuInS${e}_{2}$), 카드뮴텔루륨(CdTe) 등이 유망한 것으로 보고 되고 있다. 이상의 재료들을 이용한 태양전지 개발의 현황을 살펴보면 다음과 같다.
우주개발용에서 일반용까지
먼저 단결정 규소 태양전지는 미국의 벨(Bell)연구소에서 최초의 태양전지로서 개발된 이후 가장 오랫동안 연구되어왔으며 가장 먼저 우주계획에 실용화된 재료이다. 꾸준한 기술개발을 토대로 전지의 안정도 및 효율이 향상되었으며 우주선 동력용 전지의 효율은 15~17%수준까지 올라있다.
단결정 규소는 주로 조크랄스키(czochralski)법에 의하여 제조되는데 이 방법은 도가니 속에 고순도의 규소원료를 집어넣고 완전히 녹인 다음, 이 용액에 단결정 씨앗을 접촉시켜 서서히 회전을 하면서 끌어올려 단결정을 성장시키는 것으로 품질이 좋은 단결정을 얻기 위한 제조장비가 고가이므로 지상용으로는 극히 한정된 용도로 이용되고 있다. 80년대 들어서는 제조단가를 낮추기 위한 방법으로서 단결정대신 다결정 규소 태양전지에 대한 연구가 진행되고 있다.
갈륨비소는 재료의 에너지금지대폭으로 부터 이론적으로 계산할 경우 가장 높은 효율을 얻을 수 있는 재료이다. 1962년 고밧(Gobat) 등에 의하여 발표된 PN 접합 태양전지의 효율은 11%에 달하였고 그후 액체성장법 및 화학증착법등으로 연구가 진행되어 최근에는 20%를 상회하는 고효율 태양전지 제작에 성공하였다. 그러나 재료 및 제조단가가 비싸므로 일반 지상용보다는 우주계획에 이용되고 있다. 박막형 태양전지재료로서 비정질 규소는 단결정 혹은 다결정규소와는 달리 원자구조적으로 장거리 질서도가 없는 반면에 광흡수거리는 매우 작으므로 박막형으로 제조가능하다.
1969년 치틱(Chittick)등에 의한 최초의 연구에서는 고주파 방전법으로 약 1Torr.(7백60분의1기압)의 압력 중에서 실레인(Si${H}_{4}$)가스로 부터 비정질 규소박막을 제조하였다. 그 이후 글로우방전 전자선증착법 등으로 제작 연구되어 왔다. 그결과 비교적 원자적 결함상태를 많이 포함하는 비정질 규소박막의 제작과정에 있어서 원료가스 및 주위의 수소원자가 그 결함상태를 감소시키는 역할을 하는 것으로 밝혀졌다.
그러나 아직은 그 물성에 대한 이해가 부족한 상태이며 보고된 비정질 규소태양전지의 효율도 6~7%에 불과하였다. 그런데 1982년 미국 RCA연구소에서 10%효율의 태양전지를 실험적으로 제작하는데 성공한 것으로 보고되어 앞으로 효율향상의 소지가 충분하며 태양전지의 다면적화와 제조가격의 저렴화를 기할 수 있으므로 상당히 귀추가 주목된다.
구리인듐셀레늄은 이종의 물질(황화카드뮴이나 황화카드뮴아연)과의 접합구조형태로서 연구가 진행되었으며 미국의 보잉(Boeing) 연구팀은 정교한 동시증착법을 이용하여 93%의 효율을 얻은것으로 보고하였다.
황화카드뮴과 구리인듐셀레늄은 물질구조가 유사하여 접합부에서의 광전류손실을 감소시킬 수 있으며 증착과정 중 적절한 분위기를 사용하여 구리인듐셀레늄막의 화학정량비를 조절할 수 있다는 장점을 활용하고, 접합무에서 확산이 빠른 구리(Cu) 돌기의 형성을 방지할 수 있는 제조과정상의 기술적 진보가 이루어지면 더욱 높은 효율을 얻을 가능성이 있다.
저항이 낮은 카드뮴텔루륨(CdTe) 박막의 제작이 어려움에도 불고하고 1982년을 전후하여 10%이상의 효율으 갖는 박막형 CdTe 태양전지 제작에 대한 보고들이 있었다. CdTe재료자체는 광전류(빛이 흡수되면서 생성된 전자 및 정공에 의한 전류)의 표면재결합손실(일반적으로 재료의 내부에 비하여 표면에서는 원자결함상태가 많이 존재하므로 이 부분에서 빛에 의하여 생성된 전자나 정공이 소멸된다)이 크므로 이를 줄일 수 있도록 이종물질인 황화카드뮴을 광투과층으로서 사용하는 접합구조형태로서 연구되어 왔으며 제조방법으로는 근거리증착법, 전착법 그리고 스크린인쇄 및 소결법 등이 있다.
근거리 증착법은 거의 진공상태에서 원료물질의 증발응축과정을 이용한 것으로 태양전지의 효율은 10.5%에 이르렀으며, 전착법은 제조공정이 단순하고 대량생산이 용이하며 에너지 낭비가 적다는 이점과 함께 전착조건의 정밀한 조절을 통하여 9.35%의 효율을 얻은 것으로 보고되었다.
스크린인쇄 및 소결법에서는 전지구조적으로 황화카드뮴(CdS)막 자체가 전극역할을 하므로 다른 경우와 달리 보조투명전극(산화인듐주석 또는 산화주석막)을 필요로 하지 않는다는 것과 제작과정이 용이하고 대량생산 및 자동화가 가능하다는 장점이 있다.
일본 무선연구소의 최근 연구결과에 의하면 카드뮴텔루륨 분말대신 각각의 카드뮴과 텔루륨분말을 이용하여 박막형태양잔지로서는 가장 높은 12%의 효율을 얻을 수가 있었다.
스크린인쇄 및 소결법으로 CdS/CdTe 태양전지를 제작하는 과정은 다음과 같다. 먼저 황화카드뮴분말에 N형도핑 원료 및 소결융제(flux)인 염화카드뮴을 적당량 첨가하여 혼합한 후 스크린을 이용하여 유리기판 위에 도포한다. 그다음 광투과층으로서 높은 광투과성과 낮은 전기저항을 갖도록 적절한 온도에서 1시간 가량 소결(입자들의 성장 및 밀집화를 일으키는 열처리)하여 두께가 15~30μm(1μm=1천분1㎜)인 N형 황화카드뮴 소결막을 얻는다.
유사한 방법으로 이번에는 카드뮴텔루륨분말과 소결융제를 혼합하여 황화카드뮴막 위에 도포하고 소결하여 광흡수층인 P형 카드뮴텔루륨 소결막을 제작한다. 이 소결과정중 PN접합이 형성되는것으로 이 구조와 완성된 태양전지의 단면을 (그림2)에 나타내었다.
최첨단 태양전지 국내개발
한국과학기술원 전자재료실험실(임호빈 교수팀)에서는 5년 동안의 연구과정을 통하여 열적, 시간적 효과 및 융제의 역할, 재료의 미세구조와 광투과도 및 전기저항과의 상관성 등을 토대로 우수한 광투과층에 관한 학술적, 기술적 결과들을 얻었으며 또한 재료특성을 포함한 열역학적인 고찰을 통하여 PN접합부의 조성 및 미세구조가 태양전지의 특성에 미치는 영향을 규명하였다.
그결과 태양광 아래서 13%에 가까운 다결정 CdS/CdTe 태양전지를 소규모로 제작할 수 있었으며 이 수치는 지금까지 발표된 박막형 태양전지의 효율보다 더 높은 값이다. 앞으로도 저항이 낮으면서 광투과도가 더욱 높은 카드뮴과 아연의 황화물 고용체를 이용한 광투과층의 연구, 광흡수층의 제조특성 및 미세구조, 전기적 성질 등에 관한 연구의 진전여부에 따라 효율의 향상소지가 있다.
이상의 태양전지들은 연구개발과 병행하여 여러분야에서 응용되고 있다. 인공위성의 동력원뿐만 아니라 지상용으로서도 프랑스나 미국 등에서는 사막이나 불모지에 대규모 태양광발전소를 설립하여 전력을 공급하고 있으며 격리지역이나 무인지대의 동력원으로 등대, 기상관측소와 원격통신 등에 이용되고 있다.
그밖에 생활기호품으로서 트랜지스터 라디오와 소형계산기, 시계 등의 소규모 전원용 태양전지가 등장하고 있다. 앞으로도 선진국들의 우주개발계획이 확장됨에 따라 태양전지의 수요는 증가추세에 놓일 것이며 제조기술의 진보에 의하여 경제성이 확보되면 지상용으로서 농업관계시설의 전력원으로 이용될 소지가 크다. 회사 병원 학교 백화점 및 공장등에서도 중소규모에 이르는 태양광 자가발전 능력을 갖출 수 있을 것으로 전망된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 대체 에너지원으로서 태양광을 이용한 태양전지를 우주용과 지상용으로 실용화하기 위한 연구들은 보다 높은 효율의 태양전지를 보다 저렴하게 제작한다는 전제 아래 이루어져 왔다. 단결정 재료를 이용하는 경우에는 매우 높은 효율을 얻을 수 있는 반면에 제조단가가 높으므로 향후 기술개발로서 그 제조가격을 낮추는 데는 한계가 있을 것이다. 그러나 박막형인 다결정 및 비정질 재료를 이용하는 경우에는 재료비 및 설비비 등을 절감할 수 있으므로 제조가격이 낮고, 제작기술의 진보에 따라 10%이상 효율의 실현가능성이 크므로 연구자들의 관심을 끌고 있다.
그러나 태양전지 개발에 있어서 전혀 문제점이 없는 것은 아니다. 먼저 제품의 균질성 및 재현성과 같은 제조상의 문제점으로부터 재료내부, 특히 접합부의 원자확산 등에 의하여 태양전지특성이 시간이 경과함에 따라(수개월 혹은 수년) 저하되는 현상도 간혹 발견된다. 이러한 문제점들은 연구개발과정 중에 신중히 검토되어야 할 것이다.
구미 선진국에서는 태양전지 개발을 주요과제로 삼고, 국가와 기업차원에서 연구개발을 주도적으로 지원하고 있다. 특히 최근에 부각되고 있는 박막형 태양전지는 선진국에서도 그다지 기술축적이 되어있지 않은 상태이므로 우리나라에서도 장기적인 안목으로 연구지원이 요망되고 있다.
