박막형 태양전지의

실시간 품질 모니터링 기술 개발

 

- 기전공학부 정성호 교수·김찬규 박사팀, JAAS 표지논문 발표

- 아르곤 가스 이용, 박막 조성분석 정확도 향상 및 불량률 실시간 모니터링

 

     

 

□ 차세대 태양전지로 꼽히는 CIGS 박막형 태양전지*의 생산공정 중 박막의 화학적 조성을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 성분조성에 따라 효율이 크게 좌우되는 CIGS 태양전지의 품질 및 공정제어에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

(* CIGS 태양전지 : 태양빛을 흡수하여 전기를 생산하는 태양전지의 일종으로 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 두께 1~2 μm 얇은 박막이 태양에너지를 흡수하여 전기를 생산. 박막 층을 구성하는 구성하는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 앞 글자를 따서 CIGS라고 불림)

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

 

 

(그림 1/저널 표지그림) 레이저유도붕괴분광분석의 모식도로 CIGS 박막층에 조사된 레이저에 의해 생성된 플라즈마를 나타냄. 오른쪽 그림은 아르곤 가스 사용시 CIGS 표면 가공성 향상 및 플라즈마 신호의 증가를 나타냄. 배경화면은 실제 CIGS 박막태양전지 사진임

 

 

□ 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 가장 효율(20%)이 높다.

 ○ 하지만 박막을 구성하는 물질의 조성 비율이나 첨가물의 비율에 따라 효율이 크게 좌우되어 박막의 화학적 조성을 일정하게 유지하기 위한 품질 및 공정제어가 관건이다.

 ○ 기존 샘플을 채취해 용매에 녹이는 전처리가 필요한 분석법의 경우 길게는 수일까지 소요되어 생산현장에서 실시간으로 박막의 불량여부를 판단하는데 활용하기에는 한계가 있었다.

 

 

□ 때문에 나노초 펄스 레이저가 박막표면에 부딪힐 때 박막을 이루는 원소들의 성분비에 따라 표면에서 발생하는 플라즈마*의 분광신호 크기가 달라지는 점을 이용하는 분석법이 주목받고 있다.
(* 플라즈마 : 초고온(10,000℃)에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 물질의 제4의 상태. 반도체 등 전자제품의 미세 제조공정에서부터 태양전지, 디스플레이 등 다양한 부품소재의 코팅, 표면처리 등에 활용)

 ○ 하지만 전처리 없이 1초 이내에 성분분석이 가능하다는 장점에도 불구하고 레이저 조사시 박막 표면에서 일어나는 용융과 기화로 박막이 달표면 같은 크레이터 형상을 띄어 분광신호가 일정하지 않았다. 때문에 분광신호의 안정성을 확보하는 것이 숙제였다.

 

 

(그림 2) 아르곤 가스 사용시 분광신호의 세기(Intensity)가 공기 중(in Air)에서 측정한 것에 비해 크게 증가하며  신호의 편차(RSD)가 감소함을 보여줌.

 

 

 

(그림3)  CIGS 표면에 연속적으로 레이저 조사한  표면형상. 왼쪽은 아르곤 가스 사용시, 오른쪽은 공기중에서 측정시 표면형상. 아르곤가스 사용시 표면의 균일성이 크게 향상됨

 

 

□ 연구팀은 1분당 25L의 아르곤 가스를 박막표면에 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 정확성에 기여한다.

 ○ 뿐만 아니라 아르곤 가스 유동은 박막 표면의 압력을 낮춰주어 레이저 조사시 용융이나 기화로 생겨난 기포를 제거함으로써 박막 표면을 고르게 해 분광신호의 일관성에 기여한다는 설명이다.

 

□ 정 교수는“본격적인 CIGS 박막형 태양전지의 양산이 이루어질 경우 가격 경쟁력을 높이기 위해 대량생산에 유리한 연속공정 방식을 채택하게 될 것”이라며 

 ○“본 연구에서 개발된 기술을 통해 실제 생산라인에서 태양전지의 성능과 효율에 가장 큰 영향을 미치는 박막의 성분조성을 실시간으로 관리할 수 있게 되어 불량률 감소 및 생산비 절감에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된”고 연구의의를 밝혔다.     <끝>

 

 

(*연구에 대한 보다 자세한 사항은 첨부된 보도자료를 참조)

(**파이낸셜뉴스,전자신문,디지털타임스,아이뉴스24,이데일리,연합뉴스,뉴시스,무등일보,광남일보,광주매일,대덕넷,충청투데이등 보도)

 

 

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