태양전지 효율향상을 위한 반사 방지막 기술 동향_43

태양전지 효율향상을 위한

반사 방지막 기술 동향

서울대학교 공학연구소 | 김태호 연구원

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 45

1. 태양전지 반사 방지막 기술의 원리 ························ 45

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 46

1. 국내 동향 ··································································· 46

2. 해외 동향 ··································································· 47

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 50

<참고문헌> ········································································· 51

태양전지 효율향상을 위한 반사 방지막 기술 동향_45

태양전지 효율향상을 위한 반사 방지막 기술 동향

서울대학교 공학연구소 | 김태호 연구원

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

1. 태양전지 반사 방지막 기술의 원리

태양전지 반사 방지막(Antireflective layer)은 태양광을 굴절률이 다른 두 매체 사이의 계면

에서 반사하지 않고 투과시키거나 흡수한다. 렌즈/프리즘 등의 표면반사를 작게 해서 투과되는

빛의 세기를 증가시키고 반사로 인한 산란광을 제거하기 위해 사용된다. 태양광은 전자기파로

파동 성질을 지니며, 정현파(Sinusoidal wave)로 나타내면 <그림 1>과 같다. 굴절률이 다른 두

매체 사이의 계면을 태양광이 통과할 때 일부는 표면으로부터 반사되어 반 방향으로 진행된다.

이 때 위상차가 180도 만큼 발생하여 <그림 1>의 위 두 개의 파형과 같이 역방향으로 진행

하게 된다. 만일 반사 방지막의 두께를 입사하는 빛의 파장의 1/4이 되도록 조절하면 공기와

반사 방지막 사이의 제1 계면과 반사 방지막과 실리콘 사이의 제2 계면 사이에서 반사되는 빛이

정확히 180도 만큼의 위상차를 갖게 되므로 서로 소멸되어 반사율을 0에 가깝게 만들 수 있다.

이렇게 반사율을 최소화하려면 굴절률이 두 매질 사이의 기하 평균값을 갖도록 해야 한다.

자료 : www.pv- tech.org1)

<그림 1> 태양전지 반사 방지막 기술 개념도

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태양전지 반사 방지막의 원리는 상층에서 반사된 빛과 하층에서 반사된 빛이 서로 상쇄간섭을

일으키도록 하는 것이다. 이러한 상쇄간섭은 위상차가 180도이거나 경로차가 파장의 절반이 되는

조건에서 일어나기 때문에 반사 방지막의 두께와 굴절률 값에 따라서 정해지는 제한된 범위의

파장에서만 일어난다. 따라서 태양광 반사 방지막 물질은 태양전지의 표면에서 전지표면과 반응

하지 않아야 하고 전지 표면을 보호할 수 있어야 한다. 또한 장기간 안정성이 유지되어야 하고

전지 표면과 접착성이 우수해야 하며, 수분과 온도에 영향을 받지 않아야 한다. 본 보고서에서는

이러한 태양전지 반사 방지막의 기본적인 작동 원리 및 종류를 살펴보고 최근 태양전지 반사

방지막 기술 동향을 고찰하였다.

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

최근 국내에서 주로 사용되고 있는 태양전지 반사 방지막은 반사 방지막의 역할과 실리콘

표면에 생긴 결함을 비활성화시키는 역할을 병행하는 질화 실리콘(SiNx) 막이다. 보편적인 질화

실리콘 막 제조방법은 플라즈마를 이용한 화학 증착법으로 플라즈마 내에서 분해되는 암모니아

가스로부터 질소가 공급되는 공정이다. 이 과정에서 생성되는 많은 수소 원자들이 실리콘 표면에

존재하는 끊어진 결합(Dangling bond) 등의 결함(Defects)과 결합하면서 결함을 비활성화시킨다.

레이저를 제외한 부분의 광학계에서는 단일 파장의 빛을 사용하지 않고 연속 스펙트럼을

갖는 광원을 사용하므로 이러한 반사 방지막 코팅 효과를 높이기 위해서 다층막을 사용하였다.

실리콘 태양전지에 사용되는 반사 방지막 2개의 굴절율과 두께는 1.57, 102nm와 2.46, 65nm로

주로 산화 실리콘(SiO2)막이 이용되고 있으나, 산화 티타늄(TiO2)막, CaF2/CeO2 막 등도 이용될

수 있다.

가. 심도반응성 이온 에칭 (Deep reactive ion etching) 기술

기존 태양전지 제조과정에서 반사 방지막 형성을 위해 질화 실리콘 막을 단층으로 제작했으나,

국내업체인 신성 솔라에너지에서는 질화 실리콘 막 신 이중 반사 방지막을 형성해 태양전지

표면에서의 태양광 반사율을 낮추었다. 또한 태양전지의 표면 구조 개선을 위해 기존의 습식

화학식 조직화(Wet chemical texturing) 기술 신에 심도반응성 이온 에칭(Deep reactive

ion etching) 기술을 이용하여 기판 표면상에 나노팁을 형성하여 태양전지 표면 반사율을

낮추었다.

나. 광결정 반사 방지막 기술

태양전지를 보호하는 커버 글라스(Cover glass)에 반사 방지막을 형성하면 유리 표면에서

반사되는 태양광에너지를 이용할 수 있으므로, 태양전지의 광전 변환 효율을 향상하여 발전량을

증가시킬 수 있다. 차세 태양전지 및 광학 디스플레이 등에 널리 사용될 수 있는 고효율 반사

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방지막 나노콘 구조 광결정 소재 기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다. 최근 각광받고 있는

광 역의 나방눈(Biomimetic moth's eye) 광결정 구조에 1/4 파장(Quarter-wavelength)

반사 방지막 기술을 융합하여 기존 반사방지 성능의 한계를 극복하기 위한 기술이 개발되었다.

연구진은 나노스피어 리소그래피(Nanosphere lithography)와 반도체 공정 기술을 활용하였으며,

기존 나방눈 광결정 구조의 취약점으로 알려진 매우 작은 나노 구조를 만들지 않고도 근자

외선 영역에서의 광손실량까지 크게 감소시켰다. 이 기술은 제작공정이 용이한 고효율 광 역

광결정 포토닉스 소재 구현에 크게 기여할 것으로 기 된다.2)

2. 해외 동향

가. 일본 전기 유리 (Nippon Electric Glass Corporation)

일본 전기 유리는 2011년에 태양전지의 감광 부분에 닿는 빛의 양을 극 화시켜 효율을

개선시킬 수 있는 투명유리를 개발하였다. 투명유리란 유리에 반사 방지막을 코팅하여 반사되는

빛을 줄여서 눈에 거의 보이지 않게 만든 유리이다. 일반 유리에서는 보통 92%의 빛이 투과

되고 나머지 빛은 반사된다. 이 투명 유리에서는 99.5% 가량의 빛이 투과하고, 0.5%의 빛만이

반사된다. 이 투명유리는 휴 폰 스크린이나 태양전지의 패널 면에 사용될 수 있을 것으로 기

된다. 이 투명유리에 사용된 반사 방지막은 30겹 이상으로 이루어져 있고, 각각의 막 두께는

수 나노미터(nm)이다. 현재 태양전지에 사용되는 반사 방지막은 이 투명유리만큼 높은 투과율을

내지 못하고 있다. 그러나 태양전지에 이 반사 방지막을 적용할 경우, 기존의 단층이나 이층

구조의 반사 방지막보다 적은 제조비용이 예상된다.

나. Henan Succeed New Energy Material (일본)

일본의 Henan Succeed New Energy Material은 2011년 4회 국제 광전기 발전 컨퍼런스

에서 울트라 투명유리(Ultra transparent glass)를 발표하였다. 울트라 투명유리는 100nm

두께의 산화실리콘(SiO2) 반사 방지막으로 코팅한 후 섭씨 700도에서 열처리되었으며, 97%의

투과도를 가져 태양전지 패널에 적합하다. 울트라 투명유리를 사용하면 태양전지의 광전 변환

효율을 2~3% 향상시킬 수 있다. 일반 유리가 전면과 후면에서 각각 4%의 빛을 반사하는데,

울트라 투명유리는 0.5~1.5%의 빛을 반사하므로, 전체 투과도는 91%에서 97%로 향상

된다.5) 400~500nm의 파장 역에서 울트라 투명유리의 투과도는 99%이다.

다. New Energy Technologies (미국)

New Energy Technologies는 유리 표면에 스프레이 방법으로 도포할 수 있는 투명 태양

전지 셀을 개발하였다. 이들은 태양전지 셀에서 모든 금속들을 성공적으로 제거했고, 이것들을

환경친화적인 투명 물질로 교체했다. 빛의 투과를 막는 금속 전극들을 제거하였으므로 태양

전지의 효율은 증가할 것으로 예상된다. 스프레이 방법으로 만든 태양전지 셀은 비싼 실리콘

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웨이퍼로 만든 기존의 태양전지 셀에 비해서 저렴하다. 또한 고진공과 고온 열처리가 필요한

박막 태양전지에 비해서 빠른 생산이 가능하다. 또한 이 태양전지 셀은 직접적인 태양광 조사뿐

만 아니라 형광을 이용하여 전기를 생산할 수 있으며, 일반 상업용 빌딩이나 주택에 적용할

수 있을 것으로 전망된다.

라. 3M (미국)

3M에서는 태양전지 패널에 사용할 수 있는 새로운 플라스틱 박막을 개발했다. 이 박막은

다층막의 불소중합체(Fluoropolymer)를 기반으로 한 시트 형태로 태양전지 패널에 직접 부착

할 수 있으며, 수분이나 기타 기 중의 오염물질들로부터 태양전지 패널을 보호하여 수명을

연장시키는 역할을 한다. 이 플라스틱 시트는 CIGS(Copper-indium-gallium-selenium) 태양

전지 셀에 적용될 전망이다. CIGS 태양전지 셀은 수분에 노출되면 노화가 일어나서 수명이

단축된다. 태양전지에 사용되는 유리의 일반적인 두께가 3,000μm인데 비해서 3M의 플라스틱

막의 두께는 23μm으로 매우 얇고 자외선, 고온, 수분에 강하다. 또한 반사율이 최소가 되도록

설계되어 태양전지의 광전 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 이 플라스틱 박막은 하루에 50μg의

수분만을 통과시키는데, 이것은 다른 박막들에 비해서 수백 배 적은 수치이다. 더욱이 박막을

태양전지 패널에 직접 부착할 수 있기 때문에 제조 단가도 저렴하다.

자료 :위키피디아, http://en.wikipedia.org/wiki/Copper_indium_gallium_selenide_solar_cells

<그림 2> CIGS (copper- indium-gallium-selenium) 태양전지 개념도

태양전지 효율향상을 위한 반사 방지막 기술 동향_49

마. 호주 국립대학교 (Australian National University)

호주 국립 학교에서는 박막 태양전지 표면에 은(Ag) 나노 입자를 도포하는 방법을 연구

하고 있다. 이 경우 입사광은 반사되지 않고 굴절되어 태양전지 셀 안에서 앞뒤로 되튀는 현상

(Bounce back and forth)이 발생한다. 이 방법은 금속 나노 구조의 플라즈몬(Plasmon) 현상

을 이용한 것으로 긴 파장의 빛을 흡수할 수 있다. 플라즈몬 현상을 이용한 CdTe 박막 태양

전지는 기존의 태양전지에 비해서 광전 변환 효율을 30%까지 향상하였다.6)

바. Sixtron Advanced Materials (미국)

Sixtron Advanced Materials는 태양광에 의한 태양전지의 열화를 방지하는 Silexium

박막을 개발했다. 다결정 실리콘 태양전지는 붕소(Boron)로 도핑하며, 도핑시 산소도 포함된다.

태양광이 실리콘 웨이퍼에 조사될 때에 산소와 붕소는 서로 결합(산화)되어 태양전지의 광전

변환 효율을 3-5% 감소시킨다. 탄소가 포함되어 있는 Silexium 박막을 코팅하면, 탄소가

산소와 먼저 결합하여 붕소가 산소와 결합하는 것을 방해한다.

사. SunTech (중국)

썬텍(SunTech)은 PLUTO셀에 PERL(Passivated Emitter and Rear Locally diffused)셀에

적용하였던 이중 반사 방지막 코팅(Double Layer Antireflection coating, SiO₂/ZnS/MgF₂)

신 질화실리콘(SiNx)으로 이루어진 단층 반사 방지막(Single Layer AntiReflection coating)

을 사용하였다. 제조비용을 낮추기 위한 방법이었으나 결과적으로 반사율이 약간 증가하였다.

기존 PERL 셀은 역피라미드 형태의 조직화(Texturing)를 위해서 마스크를 사용하는 복잡한

광리소그래피(Photolithography) 공정을 이용하기 때문에 제조비용이 높다. 반면, PLUTO셀은

기존 조직화(Texturing) 공정을 이용해 피라미드 형태를 제작함으로써 역 피라미드 형태에서

생성된 피라미드 간의 평평한 면을 제거하여 빛의 반사율을 줄였다. 이는 단층 반사 방지막

때문에 증가한 반사율로 인한 손실을 감소시키는 역할을 하고 있다.

50_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

<표 1> 국내외 반사 방지막 기술

기술개발주체 제품사진 반사방지기술 국 가

New Energy

Technologies투명전지셀 기술 미국

호주국립대학교

플라즈몬 박막 태양전지

(Plasmonic thin

film solar cells)

호주

썬텍(SunTech)

단층 반사 방지막

(Single Layer

Antireflection coating)

중국

신성쏠라에너지

심도반응성 이온 에칭

(Deep Reactive Ion

Etching)

한국

자료 : Solartechno Institute, Korea Photovoltaic Conference, Solar & Energy, 20136)

Ⅲ. 향후 전망

미국, 일본, 독일 등은 1970년 후반부터 국가 주도로 체계적이고 집중적인 연구개발을 통해

태양전지 기술 분야에서 우위를 선점하고 있다. 2000년 후반에 시장에 진입한 중국 태양전지

기업들은 탁월한 가격 경쟁력을 바탕으로 전 세계 태양전지 패널 수요의 50% 이상을 생산하고

있다. 독일 등 유럽 국가들의 태양광발전 관련 정부보조금 및 세제혜택이 축소되면서 태양광발

전 시장이 침체기에 있지만 태양광발전 시장은 연평균 75%로 성장하여 성장 가능성이 높은 것

으로 기 된다. 국내에서는 2005년부터 태양광발전의 중요성을 인식하여 산업통상자원부 주도로

기술개발에 착수하였으나 아직 기술 수준에서는 미국 기업들에, 가격경쟁력에서는 중국 기업들에

뒤쳐지고 있는 실정이다. 전 세계 태양광발전 시장은 2000년 이후 고속 성장하였다. 특히,

2008년의 급격한 수요 증가와 2010년의 규모 시장 확 를 통해 친환경 에너지 산업으로 자리

매김하였다. 그렇지만 최근 유럽 발 경제위기로 인해 정부의 지원이 축소되면서 전 세계적으로

수요가 감소하고 있는 추세이다. 이러한 시점에서 태양전지 기술 개발에 의한 태양광 발전 수율

태양전지 효율향상을 위한 반사 방지막 기술 동향_51

향상이 절실히 필요하다. 따라서 태양광 발전 산업에 한 정부의 정책적 지원이 국내 관련 기업

육성과 핵심부품의 국산화율 제고를 위해 중요하며, 태양전지 반사 방지막 기술 등의 태양광

발전 효율을 높일 수 있는 기술개발을 가속화해야 한다. 또한 우리나라는 태양광 발전 분야의

후발 주자로서 단점을 보완할 수 있는 정부차원의 기술개발지원 및 제도, 사업 환경 개선이

시급하다.

<참고문헌>

1. PV-Tech, http://www.pv-tech.org

2. 솔라앤에너지, Korea Photovoltaic Conference, 2012

3. 에너지경제연구원, 신재생에너지 부품 ․ 소재 산업화 정책토론회, 2011

4. Solar Feeds, http://www.solarfeeds.com

5. 미국에너지부(DOE), Overview of Solar America Initiative Awards, 2012

6. Solartechno, Korea Photovoltaic Conference, Solar & Energy, 2013

7. 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Milano&Italy, 2007

8. 솔라앤에너지, “최신 유기 태양전지 기술 및 시장 전망 (2010-2015)”, 2011