우리얘기

태양전지 시장은 현재 중국과 유럽 업체들이 주도하는 결정형 실리콘 태양전지가 주류를 이루고 있습니다.

결정형 실리콘 태양전지는 높은 효율과 안정적인 성능을 갖고 있지만, 제조비용이 높은 단점이 있습니다.

이에 CIGS(Cu, In,Ga, Se2)  박막형 태양전지가 재료 소모가 적고 공정이 간단하며, 비용이 적게 들어 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 낮은 효율과 이를 해결하기 위한 제조 공정의 최적화 문제가 남아있습니다.

최근 국내 대기업들이 CIGS 박막 태양전지의 상용화를 시도하고 있지만 핵심 제조 기술은 선진국에 의존하고 있는 실정입니다.

이는 공정 상태에 따른 박막의 성분 비율 등에 대한 분석이 어려워 기존의 제조 공정을 그대로 따라하는 수준을 벗어나지 못하고 있기 때문입니다.


□ KRISS(한국표준과학연구원) 재료측정표준센터 김경중 박사가 박막 태양전지 제작 공정 시 필수 요소지만 분석 난제 중 하나였던 '다성분 합금인 CIGS 박막의 조성'을 정확하게 분석하는 기술을 개발했습니다.

CIGS는 광전변환 효율이 높고 저가격·고효율을 실현할 수 있어 박막 태양전지 재료 중 최적의 대안으로 평가받고 있습니다.

현재 실험실 수준에서 측정된 최고 효율은 20% 이상이며, 대면적의 상용 전지로 개발되면 8~14%의 효율이 예상됩니다.

연구팀은 이차이온질량분석법(SIMS)을 이용하여 CIGS 박막의 구성 원소인 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 상대적인 비율 뿐 아니라 깊이에 따른 분포까지 분석할 수 있는 기술을 개발했습니다.

이 기술은 지금까지 분석이 어려웠던 CIGS 박막의 조성을 인증표준물질을 이용하여 정확하게 분석하는 일종의 표준화 기술입니다.

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 전망입니다.

□ 이번 기술 개발에는 ETRI 박막태양광기술연구팀의 CIGS 박막 제작 기술과 KRISS 분석화학센터의 정량 분석 기술이 매우 중요한 역할을 했습니다.

균질한 CIGS 박막을 제작하고 그 조성을 인증함으로써 대표적인 깊이분포도 분석법인 이차이온질량분석법에 의한 조성 분석 결과의 신뢰성을 확인했습니다.

앞으로 연구팀은 다성분 합금박막의 조성 및 깊이분포도 분석 절차에 대한 국제표준을 제정하고 인증표준물질을 개발해 산업체에 보급할 방침입니다.

또한 세계 표준기관이 참여하는 국제도량형위원회(BIPM) 표면분석 분야의 국제비교(KC: Key Comparision)를 주도하여 KRISS가 CIGS 박막 조성 분석 분야에서 국제사회의 선도적 위치를 지킬 계획입니다.

이차이온질량분석기를 활용해 CIGS 박막의 깊이분포 등을 측정하는 모습

 용  어  설  명

CIGS :
Cu(In,Ga)Se2 박막으로 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 각각 2:1:1:4의 비율로 이루어진 결정성 박막.
CIGS는 4가지 원소 화합물의 첫 스펠링을 조합한 단어로 이를 기판에 증착, 빛을 흡수하여 전기를 생산함.
유리기판 위에 전극 역할을 하는 금속막을 깔고 그 위에 CIGS 박막을 증착한 후 광흡수층·버퍼층·투명전극·반사방지막 등을 배치하고 그 위에 전면전극을 배치함으로써 CIGS 박막 태양전지가 완성됨

이차이온질량분석법 (Secondary Ion Mass Spectrometry) :
충분한 에너지를 가진 일차 이온을 고체 시료에 조사하면 시료 표면에서 입자들이 나옴. 이 중에서 이온화된 성분인 이차이온의 질량을 분석해 표면에 존재하는 원소의 종류, 상대적인 조성 및 화학 상태 등을 알아낼 수 있는 대표적인 표면분석 방법임. 이 방법을 활용해 특정 원소의 깊이에 따른 분포도를 측정할 수 있음.

육불화황(SF6)은 반도체, 자동차, 전기절연체, 냉매 등의 생산공정에서 주로 배출되는 온실가스로, 대기 중 농도가 이산화탄소의 1/6에 불과하지만, 지구온난화 효과는 약 2만 4000배나 더 큰 물질입니다.

한국표준과학연구원(KRISS)과 기상청이 UN 세계기상기구(WMO)로부터 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 하나인 육불화황에 대한 세계표준센터로 인증받았습니다.

육불화황(SF6)에 대한 세계표준센터 인증은 우리나라가 세계 최초 입니다.

한국표준과학연구원은 기상청과 '육불화황 세계표준센터' 유치를 위해 지난 2010년부터  관련 기술을 공동으로 개발, 특허를 포함한 기반기술을 확보했습니다.

또 2007년부터는 안면도에 위치한 기상청 기후변화감시센터에서 이를 상시 관측하고 있습니다.

국가표준가스를 생산하는 한국표준과학연구원은 가장 정확한 표준가스 최상위 제조방법인 중량법으로 제조하고 있으며, BIPM(국제도량형국) 주관 국제비교시험에 참가하여 매우 우수한 결과를 획득했습니다.

이번 '육불화황 세계표준센터' 유치 승인은 세계 기후변화감시를 선도하는 관측기술 향상과 유지의 국제적인 대표기관임을 의미합니다.

세계기상기구는 교토의정서 규제대상 6개 온실가스 중 3개 물질(CO2, CH4, N2O)에 대하여 세계표준센터(미국, 스위스, 일본, 독일)를 운영하고 있습니다.

세계표준센터의 기능은 관측에 필요한 표준가스 제조 보급, 측정기술에 대한 교육, 국제비교시험 주관 등을 수행하며,  또한 육불화황 국가 표준가스와 관련기술의 수출하게 됩니다.

육불화황 세계표준센터 유치 성공으로 우리나라는 육불화황 측정분야와 분석기술에 관한 국제선도 역할을 수행하고, 아울러 표준가스 및 관련 시스템 수출 기회를 가질 것으로 기대되고 있습니다.

 용  어  설  명

세계기상기구(WMO) :
World Meteorological Organization

세계표준센터(WCC) :
World Calibration Center

교토의정서 규제대상 6개 온실가스 :
이산화탄소(CO2), 메탄(CH4), 아산화질소(N2O), 염화불화탄소(CFCs), 수불화탄소(HFCs), 육불화황(SF6)

※ QA/SAC : Quality Control / Science Activity Centers

※ CCL : Centeral Calibration Laboratory

※ WCC : World Calibration Centers

※ RCC : Regional Calibration Centers

※ WDC : World Data Centers

※ ESRL : Earth System Reseach Laboratory, NOAA

※ EMPA : Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research, Dubendorf, Switzerland

※ JMA : Japan Meteorological Agency

※ UBA : German Environmental Protection Agency, Berlin

※ IMK-IFU : Forschungszentrum Karlsruhe, Institute for Meteorology and Climate Research, Garmisch-Partenkirchen, Germany