박막형 태양전지 품질 실시간 모니터링

[산업일보]
차세대 태양전지로 꼽히는 CIGS 박막형 태양전지의 생산공정 중 박막의 화학적 조성을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼, 성분조성에 따라 효율이 크게 좌우되는 CIGS 태양전지의 품질 및 공정 제어에 활용될 전망이다.

광주과학기술원 기전공학부 정성호 교수와 김찬규 박사(제1저자)가 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약)의 지원으로 수행됐으며, 분석원자분광학(Journal of Analytical Atomic Spectrometry) 최신호(3월 14일자) 표지논문으로 게재됐다.(논문명 : Influence of Ar buffer gas on the LIBS signal of thin CIGS films)

상용화된 결정계 실리콘 태양전지에 비해 유리나 플라스틱 기판 위에 얇은 막 형태의 전지를 붙여 만든 박막형 태양전지는 제조원가가 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 특히 CIGS 박막 태양전지는 박막형 태양전지 가운데 효율이 20%로 가장 높다. 하지만 박막을 구성하는 물질의 조성 비율이나 첨가물의 비율에 따라 효율이 크게 좌우돼 박막의 화학적 조성을 일정하게 유지하기 위한 품질 및 공정 제어가 관건이다.

기존 샘플을 채취해 용매에 녹이는 전처리가 필요한 분석법의 경우 길게는 수일까지 소요돼 생산현장에서 실시간으로 박막의 불량 여부를 판단해 활용하기에는 한계가 있었다. 때문에 나노초 펄스 레이저가 박막 표면에 부딪힐 때 박막을 이루는 원소들의 성분비에 따라 표면에서 발생하는 플라즈마의 분광신호 크기가 달라지는 점을 이용하는 분석법이 주목받고 있다.

하지만 전처리 없이 1초 이내에 성분 분석이 가능하다는 장점에도 불구하고, 레이저 조사 시 박막 표면에서 일어나는 용융과 기화로 박막이 달 표면 같은 크레이터 형상을 띄어 분광신호가 일정하지 않았기 때문에 분광신호의 안정성을 확보하는 것이 숙제였다.

연구팀은 1분당 25ℓ의 아르곤 가스를 박막 표면에 분사하는 방식으로 기존 레이저를 이용한 성분조성의 실시간 분석법의 정확성을 크게 높였다. 아르곤 가스의 공기역학적인 성질에 착안한 것이다. 아르곤 가스는 플라즈마의 온도와 전자밀도를 상승시키기 때문에 플라즈마 분광신호의 세기를 증가시켜 측정의 정확성을 높인다.

또한 아르곤 가스 유동은 박막 표면의 압력을 낮춰줘 레이저 조사 시 용융이나 기화로 생겨난 기포를 제거해 박막 표면을 고르게 함으로써 분광신호의 일관성에 기여한다.

정성호 교수는 “본격적인 CIGS 박막형 태양전지의 양산이 이뤄질 경우 가격 경쟁력을 높이기 위해 대량생산에 유리한 연속공정 방식을 채택하게 될 것”이라며 “이번 연구에서 개발된 기술을 통해 실제 생산라인에서 태양전지의 성능과 효율에 가장 큰 영향을 미치는 박막의 성분조성을 실시간으로 관리할 수 있게 돼 불량률 감소 및 생산비 절감에 큰 기여를 할 것”이라고 연구의의에 대해 밝혔다.