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플렉시블 태양전지 기술 동향_13

플렉시블 태양전지 기술 동향

한국전자통신연구원 | 정용덕 책임연구원

Ⅰ. 개 요 ··········································································· 15

Ⅱ. 동향 분석 ··································································· 17

1. 국내 동향 ··································································· 17

2. 해외 동향 ··································································· 20

Ⅲ. 향후 전망 ··································································· 23

<참고문헌> ········································································· 23


플렉시블 태양전지 기술 동향

한국전자통신연구원 | 정용덕 책임연구원

Green Technology Trend Report

Ⅰ. 개 요

기존에 상용화된 부분의 태양전지는 웨이퍼나 유리 등의 단단한 기판 위에 형성되어 있기

때문에 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변하거나 파손되는 문제점이 있었다. 그러나 플렉시블

태양전지(Flexible Solar Cell)는 유연기판을 사용하여 구부리거나 휠 수 있어서 상황에 따라

형태를 변형시킬 수 있으며, 가볍고 휴 성이 매우 뛰어나다. 플렉시블 태양전지가 상용화되면

<그림 1>과 같이 IT산업, 디스플레이 산업, 전기자동차, 우주 항공 등의 산업 분야에서도 새로운

가치를 창출할 수 있을 것으로 기 된다. 또한, 태양전지가 단순히 발전시스템이 아닌 각종 제품의

핵심 부품으로 융복합되어 신규 시장과 기술의 성장 동력이 될 것으로 전망된다. 기존의 치열한

태양광발전 시장에서 생존하기 위한 기술 개발도 중요하지만, 고수익으로 성장 잠재력이 큰

고효율 플렉시블 박막 태양전지 기술개발이 시급하다. 플렉시블 태양전지는 흡수층 소재에 따라

유기/고분자 태양전지, 유무기 하이브리드 태양전지, 실리콘 박막태양전지, CIGS 박막 태양전지

등으로 나눌 수 있다. 플렉시블 태양전지의 전 제조 공정은 박막 태양전지의 제조 공정과 크게

다르지 않지만, 기판 소재에 따라 박막의 물성 및 제조공정 조건이 다르기 때문에 별도의 제조

공정 기술 개발이 필요하다.

자료: 한국에너지기술평가원, “폴리머 기판 CIGS 박막태양전지 모듈 개발”기획보고서, 2012

<그림 1> 플렉시블 박막 태양전지의 적용 사례

16_녹색기술동향보고서 (www.gtnet.go.kr)

플렉시블 태양전지에서 최고 공정 온도 등 제조공정 조건을 결정하는 기판 재료는 가장 중요한

요소이다. 플렉시블 기판의 종류는 금속 유연기판, 초박형 유리(Ultra-thin glass) 기판, 플라스틱

기판 등이 있으며, 응용 면에서 많은 차이를 보이고 있다. 초박형 유리 기판은 경랑이면서 유연

하지만, 내충격성이 취약해 공정 및 취급 시 각별한 주의가 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기

위해 초박형 유리의 단면 또는 양면에 고분자 수지를 코팅하여 내충격성을 보완하면 초박형 다층

유리의 경우 250℃까지 내열성을 확보할 수 있다. 금속 유연기판은 반도체 공정의 고온 및 화학

처리 조건 등의 변경 없이 적용할 수 있으나, 플라스틱, 유리 기판에 비해 표면 평탄도(Surface

flatness)가 낮고 작은 충격에도 변형되기 쉽다. 금속 유연기판은 투명하지 않으며, 공정 온도가

고온인 플렉시블 태양전지에 이용하여 내충격성을 향상할 수 있다. 다양한 금속 유연기판 소재

중에서 내부식성이 우수한 스테인리스강(Stainless steel) 적용이 가장 많으며, 스테인리스강으로

기판을 제조하기 전에 전기적 절연성 및 표면 평탄도를 확보하기 위해 스테인리스강에 절연체를

코팅하는 과정을 거친다. 플라스틱 기판은 유리 또는 금속 유연기판에 비해 가볍고 가공이 용이해

형태의 제약이 거의 없으며, 저비용 공정인 롤투롤(Roll-to-Roll, R2R) 공정에 가장 적합한 소재

이므로 유연 전자소자 구현에 가장 적합한 소재로 각광받고 있다. 플라스틱 기판은 고온 공정을

적용하기에 내열성이 충분하지 않은 것으로 알려져 있으나, 최근 일부 연구 그룹에서 고온 공정에

적용한 실험 결과를 발표하여 주목받았다.

자료: 솔라앤에너지, “플렉시블 박막 태양전지 기술 및 시장전망”, 2011

<그림 2> 플렉시블 태양전지의 기술별 생산량 전망 (2006~2015년)


<그림 2>에서 보는 바와 같이 2009년까지 United Solar Ovonic을 중심으로 비정질 실리콘

(a-Si) 박막 태양전지가 플렉시블 태양전지 시장을 주도하다가 2010년 CIGS 박막 태양전지 및

다른 플렉시블 태양전지 제조업체들이 진출하면서 플렉시블 태양전지 시장이 급속히 성장했다.

2011년부터 기존 비정질 실리콘 박막 태양전지 업체를 중심으로 CIGS 박막 태양전지 및 다른

플렉시블 태양전지 제조업체들의 양산화 기술이 발전하면서 플렉시블 태양전지 생산량이 증가하

였다. 또한 2011년부터 2015년까지 52.2%의 연평균 성장률을 기록하면서 생산량이 2011년

342.2MW에서 2015년에는 1,732.2MW까지 증가할 것으로 전망된다.

Ⅱ. 동향 분석

1. 국내 동향

국내에서는 한국전자통신연구원, 한국에너지기술연구원, 한국과학기술연구원, 한국생산기술

연구원이 금속 유연기판을 이용한 CIGS 박막 태양전지 개발을 주도하고 있다. 양금속은 2009년

부터 금속 유연기판을 이용한 CIGS 박막 태양전지 사업에 진출하여 상용화를 위한 연구개발을

진행하고 있다. 플라스틱 기판을 이용한 CIGS 박막 태양전지는 한국에너지기술연구원, 한국전자

통신연구원, 한국과학기술연구원 등에서 연구 개발하고 있으며, LG이노텍 등 유리기판 제조기술을

보유한 기업에서도 관심을 갖고 있는 것으로 알려져 있다.

<그림 3> 대양금속이 개발 중인 금속 유연기판을 이용한 CIGS 박막 태양전지 모듈 및 장비

한국에너지기술연구원은 금속 유연기판을 이용한 비정질 실리콘 박막 태양전지를 개발하고

있으며, 한국전자통신연구원은 Si 및 SiGe tandem 박막 태양전지를 개발하고 있다. 또한 주성


엔지니어링은 플라스틱 기판을 이용한 비정질 실리콘 박막 태양전지 기술을 개발하고 있다

(<그림 4>). 반면, 일부 업체가 사업성이 낮다는 이유로 유리 기판을 이용한 비정질 실리콘 박막

태양전지 사업을 중단한 바 있어서 플렉시블 비정질 실리콘 박막 태양전지 기술 개발은 다소

지연되고 있는 실정이다.

<그림 4> 주성엔지니어링이 개발 중인 비정질 실리콘 박막 태양전지 모듈

한국전자통신연구원은 얇은 금속기판을 이용한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지를 개발하고

있으며, 한국과학기술연구원은 저온 소성이 가능한 무(無)바인더 코팅용 페이스트 및 투명기판을

이용한 플렉시블 염료감응 태양전지를 개발하고 있다. 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원

에서도 플렉시블 염료감응 태양전지 연구가 활발하며, 상보는 금속 플렉시블 염료감응 태양전지

모듈을 개발하고 있다(<그림 5>).


<그림 5> 상보가 개발 중인 유연기판 염료감응 태양전지 모듈

도레이첨단소재는 다양한 색상의 플렉시블 태양전지를 개발하고 있으며, 이건창호, 현 하이스코,

동부제철은 기업 내부적으로 플렉시블 태양전지 개발 프로젝트를 진행하고 있다.

한국화학연구원은 기존의 유기 태양전지 비 20% 이상 효율을 향상시킬 수 있는 신소재를

개발하였으며, 한국기계연구원, 한국과학기술연구원, 서울 학교, 광주과학기술원(GIST), 포항

공과 학교, 단국 학교도 유기 태양전지 효율을 향상시키는 방법을 연구하고 있다. 또한, 코오롱

인더스트리, LG화학, SK에너지, 삼성종합기술원 등에서 유기 태양전지에 한 연구를 진행하고

있다.

<그림 6> 한국기계연구원의 유연기판 유기 태양전지 장비


2. 해외 동향

<그림 7>은 흡수층 종류에 따른 모듈 구성 기술을 분류한 것으로 플렉시블 태양전지 기술을

개발하고 있는 해외 주요 업체들의 현황을 확인할 수 있다.

자료: 한국에너지기술평가원, “폴리머 기판 CIGS 박막태양전지 모듈 개발”, 기획보고서, 2012

<그림 7> 태양전지 제작 방법에 따른 주요 업체 현황

플렉시블 비정질 실리콘 박막 태양전지 분야의 주요 업체는 플라스틱 기판을 이용하는

PowerFilm, Fuji Electric, Flexcell과 금속 기판을 이용하는 United Solar Ovonic,

Xunlight, Moser Baer 등이 있다. United Solar Ovonic은 스테인리스강으로 만든 기판 위에

a-Si/a-SiGe/μc-SiGe으로 구성된 삼중접합 플렉시블 실리콘 박막 태양전지를 판매하여 플렉

시블 태양전지 시장의 80% 이상 점유하였으나, 최근 실적 악화로 인해 파산 보호를 신청하였다.

플렉시블 CIGS 태양전지 분야의 주요업체는 금속기판을 이용하는 Solopower, Miasole,

Nanosolar 등이 있으며, 플라스틱 기판을 이용하는 Solarion, Ascent 등이 있다.

자료: Solar Today (2011. 6.15)

<그림 8> 플렉시블 CIGS 태양전지 셀 사진 및 모듈 구조도


표적인 CIGS 박막 태양전지 제조업체에서 제공하는 모듈 사양은 <표 1>과 같다.

기판 소재 기업명

Nominal output (W)

Open circuit voltage

(V)

Short circuit current

(A)

Dimension (mm) Weight (kg)

Specific Power (W/kg)

유리

Miasole 111 24.9 6.80 665×1,611×28 18.0 6.17

Solar Frontier 165 110 2.20 977×1,257×35 20.0 8.25

금속Global Solar

Energy62 28 4.2

368×216×36 (fold)1,333×762×2.5

(deployed)1.41 43.97

플라스틱 Solarion 115 24.1 7.61 800×1,320×11.5 1.40 82.14

<표 1> CIGS 박막 태양전지의 상용 모듈 현황

자료: 각사 홈페이지 (Miasole (www.miasole.com), Solar Frontier (www.solar- frontier.com), Global Solar Energy

(www.globalsolar.com), Solarion (www.solarion.net)

플렉시블 CIGS 박막 태양전지 가격은 롤투롤(R2R) 공정을 적용하여 량생산 체제 구축 시

와트(W)당 0.6달러 이하까지 하락할 것으로 예상된다. 기존의 유리 기판을 이용한 박막 태양

전지의 비출력(Specific power, 比出力)은 최 6.3W/kg이며, 금속 기판을 이용한 박막 태양

전지의 비출력은 약 44W/kg으로 측정되었다. 플라스틱 기판을 이용한 박막 태양전지는

82W/kg 정도의 비출력을 기록하였으며, 이는 유리 기판을 이용한 박막 태양전지보다 약 13배

높은 수치이다. 플라스틱 기판을 이용한 박막 태양전지는 하중을 고려하지 않아도 되는 건축물

또는 경량을 요구하는 비행기, 자동차 등에 적합하다. 최근 스위스의 재료시험연구소(Swiss

Federal Laboratories for Materials Science and Technology, EMPA)는 플라스틱 기판을

이용하여 태양전지의 광전 변환 효율 20.4%를 달성했다.

플렉시블 염료감응 태양전지의 핵심원천 기술을 보유하고 있는 미국, 일본, 유럽은 탄탄한

기초과학 기술을 바탕으로 원천기술 및 소재기술을 발전시켜 왔으며, 이를 바탕으로 상용화 기술

개발을 선도하고 있다. 플라스틱 기판 위에 이산화티타니아 나노전극을 코팅하기 위해서는 저온

소성 공정 개발이 필요하며, 일본의 Dai Nippon Printing, Peccell Technologies, TDK,

Taiyo Yuden 등이 소성 공정을 독자적으로 개발하고 있으며, 영국의 G24i, 미국의 Konarka,

독일의 Solar coating Machiner는 공동개발을 진행하고 있다.


자료: 한국에너지기술평가원, “플렉시블 염료감응 태양전지 개발” 기획보고서, 2012

<그림 9> 플렉시블 염료감응 태양전지 셀 사진 및 모듈 구조도

미국의 Solarmer는 광전 변환 효율이 8.13%인 유기 태양전지를 개발하였으며, 최근 파산

보호를 신청한 Konarka는 효율 8.3%의 유기 태양전지를 개발하였다. 일본의 미쓰비시 케미칼

(Mitsubishi Chemicals)은 10.1%의 광전 변환 효율을 가진 유기 태양전지를 개발하였으며, 곧

롤투롤 인쇄기술을 이용한 유기 태양전지를 상용화할 계획이다. 덴마크 국립에너지연구소는 전

(全)공정 롤투롤(Roll-to-roll) 인쇄 기술과 솔루션 공정(Solution process)을 이용하여 최 변환

효율이 2.75%인 79mm×84mm 크기의 플렉시블 폴리머 태양전지 모듈을 제작하였다.

자료: 한국에너지기술평가원, “유기단분자 태양전지 서브 모듈 개발” 기획보고서, 2012

<그림 10> 플렉시블 유기 태양전지


Ⅲ. 향후 전망

2006년부터 2011년까지 세계 태양광발전의 연간 설치용량은 연평균 70%로 급격히 성장하였

으며, 태양광발전 시장 상황이 여의치 않았던 2012년에도 설치용량은 2011년 비 60% 이상

증가하였다. 태양광발전 시장이 확 되고 있음에도 2011년부터 2012년 사이에 다수의 글로벌

태양광발전 기업들이 파산 신청 또는 사업을 철수하였다. 태양광발전 시장 상황은 점차 호전될

것으로 보이나 수요 공급 구조는 2014년 이후에나 균형을 이룰 것으로 예측된다.

플렉시블 태양전지 기술개발은 최근 미국, 유럽에서 유연기판을 이용한 롤투롤 인쇄기술을

적용하여 활발히 이루어지고 있다. 롤투롤 인쇄기술은 상용화되어 널리 사용되고 있으며, 유연기판

증착 공정을 수행하기 위한 가장 효과적인 방법이다. 생산성이 높은 롤투롤 공정을 적용하여

량생산 체제를 구축할 경우 기존의 태양전지와 비교하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로

예상된다. 고효율 및 낮은 가격을 유지하면서 경량화, 다양한 제품 형태 및 응용 분야의 다양성

이란 고부가 가치가 추가되면 고수익 시장을 창출할 전망이다.

플렉시블 태양전지의 높은 생산성, 불량률 최소화, 고품질 박막 코팅을 위해서는 진공 설계

기술, 안정적인 유연기판의 와인딩(Winding) 제어 기술, 고속 기판 이송 제어 기술이 필요하다.

또한 유연기판 교체 및 부품 탈부착이 용이해야 하며, 플렉시블 태양전지 모듈을 패키지화하기

위한 인캡슐레이션(Encapsulation) 소재 및 공정 기술 개발이 필요하다.

플렉시블 태양전지는 건물일체형 태양광발전시스템(Building Integrated Photovoltaic System,

BIPV)에 적용하기에 적합하며, BIPV시스템 개발초기부터 건축 및 창호 산업과 긴밀하게 연계하여

기술개발 및 상업화하는 것이 바람직하다. 현재 태양전지 모듈과 응용제품 개발이 병행되고

있으나, 상용화를 위해서는 태양전지 모듈을 응용제품에 적용하여 실증할 필요가 있다. 플렉시블

태양전지는 장비일체형 태양광발전시스템(Device Integrated Photovoltaics, DIPV), 유비쿼터스

기기, 의류 및 레저용품, 군용품 등 새로운 응용 분야를 개척하여 2014년 이후에는 고기능/고부가

시장을 형성할 것으로 전망된다.

<참고문헌>

1. 한국과학기술기획평가원, “태양광기술의 현주소와 정부R&D 역할”, 2012

2. M. Pagliaro, G. Palmisano, and R. Ciriminna, “Flexible Solar Cells” WILEY-VCH

Verlag GmbH & Co, 2008

3. 한국수출입은행, “태양광 기업들의 기회와 위험요인”, 2012

4. 솔라앤에너지, “글로벌 태양광 시장의 회복 시나리오와 한국태양광의 생존전략”, 2012

5. 한국전자통신연구원, “박막 태양전지의 기술개발 동향”, 전자통신동향분석, Vol.27, No.1,

pp.38-50, 2012

6. 교육과학기술부, “차세 비실리콘계 나노박막 태양전지 원천소재 및 소자 기술정보수집”,

2010


7. 솔라앤에너지, “전세계 박막 태양전지 기술동향 및 시장전망 (2006~2015)”, 2011

8. http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/131438/

9. 한국에너지기술평가원, “플렉시블 염료감응 태양전지 개발” 기획보고서, 2012

10. 한국에너지기술평가원, “유기단분자 태양전지 서브 모듈 개발” 기획보고서, 2012

11. 한국에너지기술평가원, “폴리머 기판 CIGS 박막태양전지 모듈 개발” 기획보고서, 2012

12. 한국에너지기술평가원, “그린에너지 전략로드맵”, 2011

13. 한민족과학기술자네트워크, “ 면적 플렉시블 염료감응형 태양전지의 재료와 제조”, 2012

14. 솔라앤에너지, “플렉시블 박막 태양전지 기술 및 시장전망 (2006~2015)”, 2011

플렉시블 태양전지 기술 동향 - gift (글로벌...

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