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태양전지에 적용하기 위한 저가의 ....

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실리콘 웨이퍼는 태양전지에서 가장 중요한 부분이다. 그러나 이들을 제조하는 데에는 비용이 많이 든다. 사용되는 순수한 실리콘의 50% 이상이 장비에서 먼지가 되어 재료의 손실이 크게 된다. 프라운호퍼 실험실에서 개발한 새로운 제조기술은 이들 재료의 손실을 막고 원재료를 50% 절약함과 동시에 에너지 비용을 80% 감소시킬 수 있다. 태양전지는 지붕 위에 검은 파란색으로 빛난다. 우리의 집에서 이들은 우리에게 조명과 함께 램프, 냉장고 및 다른 가전제품을 가동할 수 있는 전기를 제공해준다. 이들 중의 주요 부품이 박막 실리콘 웨이퍼이다. 이들 웨이퍼의 제조는 시간과 에너지가 많이 들며 또한 경비도 많이 드는 공정이다. 보다 더한 점은 실리콘의 약 절반이 웨이퍼를 제조하는 공정 동안에 소모된다는 점이다. 폴리실리콘의 현재 가격은 킬로그램당 약 15유로이며 이는 사용되는 폴리실리콘의 킬로그램당 약 8유로에 해당하는 재료들이 오염되어 사용할 수 없는 실리콘이 된다. 

독일 Freiburg에 있는 프라운호퍼 실험실 태양에너지 시스템 ISE의 연구원들은 새로운 공정을 개발하였다. “우리가 개발한 방법을 사용하여 기존의 생산 공정 동안에 발생하는 손실의 거의 대부분을 피할 수 있었다. 이는 우리가 재료의 손실을 약 50% 줄이고 에너지를 80% 적게 사용할 수 있다는 것을 의미한다”고 ISE의 연구원인 Stefan Janz 박사는 말한다. 연구원들이 개발한 방법을 이해하기 위해서 실리콘 웨이퍼를 제조하는 기존 공정을 살펴볼 필요가 있다. 이 공정은 순수하지 않은 실리콘 덩어리를 액화시키고 염소를 넣어 순수하게 만든다. 따라서 만들어진 재료는 염화 실란으로 알려져 있다. 만약 수소가 첨가되면 수소는 이를 고순도의 폴리실리콘으로 전환시킨다. 그러나 이는 태양전지에 필요한 결정 형태가 아니다. 따라서 얻어진 실리콘 덩어리는 다시 부수어 섭씨 1450도의 온도에서 녹인 후 다른 방법으로 성장시키고 100에서 1000킬로그램 이상의 실리콘 잉곳으로 전환시킨다. 이러한 방법으로 사각형 블록의 잉곳이 만들어지고 이는 작은 웨이퍼로 잘려 사용된다. 

이와 비슷하게 새로운 공정에서 연구원들은 처음으로 염화실란을 제조하였고 이를 섭씨 1000도 이상으로 가열한 후 수소와 혼합하였다. “우리는 실리콘을 단지 무질서하게 성장하게 내버려두지 않고 대신에 즉시 이를 잘 조절하여 원하는 결정 형태로 만들었다”고 Janz는 설명한다. 이는 화학증착법으로 수행되었다. 여기에서 가스 상으로 된 실리콘은 기지체 자체-즉 실리콘 웨이퍼를 흘러 표면을 코팅하게 된다. 이러한 방법으로 웨이퍼는 원자 층층으로 성장하게 된다. 새로운 웨이퍼를 기지체로부터 쉽게 분리하기 위해서 연구원들은 다공성 실리콘의 형태로 미리 기계적으로 자를 부분을 만들었다. 이들 기지체들은 다시 10번 정도 더 사용될 수 있다. 기지체 자체는 “뒷받침판(backing plate)”으로 사용될 뿐만 아니라 필요한 결정 정보를 제공하게 된다. 이는 태양전지에서 실리콘 결정이 원자가 다이아몬드에서와 같이 규칙적인 배열로 정렬될 필요성이 있기 때문이다. 기지체는 말하자면 원자에 대한 정보를 주는데 이들이 가스 상의 실리콘에서 자신을 배열하는 방법과 같은 많은 정보를 제공한다. “이러한 방법에서 우리는 매우 우수한 단결정을 얻고 이는 최고의 결정으로 이 결정으로 만들어진 웨이퍼는 기존의 방법을 사용하여 제조한 웨이퍼에 비해 매우 우수한 품질을 가지게 된다”고 Janz는 말한다. 

짧게 말해서 웨이퍼는 연구원들이 원하는 방향으로, 고순도의 원재료 절반을 소비하는 성가신 톱질을 사용할 필요가 없이 정확하게 성장된다. 이 공정의 또 다른 장점으로는 웨이퍼가 원하는 만큼 얇게 만들어질 수 있다는 것이다. 기존의 공정으로는 실리콘 웨이퍼는 적어도 150~200 마이크로미터 두께를 가졌으며 이 두께와 다르면 절단 공정에서 재료의 손실이 매우 컸다. 웨이퍼의 두께가 얇아질수록 태양전지의 가격은 보다 저렴하게 된다. 따라서 새로운 공정은 낭비가 될 수 있는 웨이퍼 제조 공정을 피하고 웨이퍼의 두께를 줄이게 하는 두 가지 방법에 의해 재료를 절약하게 해준다. 웨이퍼의 가격을 절반으로 내리면 전체 태양전지 모듈의 가격을 약 20% 낮출 수 있다. 2015년 6월에 NexWafe라고 불리는 분리 회사는 이 새로운 웨이퍼 생산 기술을 시장에 내놓았다. “이 기술의 파일럿 단계에서 우리는 우리의 동료인 프라운호퍼 실험실 ISE와 밀접하게 협력하였다”고 NexWafe 최사의 최고경영자인 Stefan Reber 박사는 말한다. 공장의 완성과 저가 웨이퍼의 대량 생산은 2017년 후반으로 예정되어 있다. 

출처 KISTI 미리안 글로벌동향브리핑

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