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IT-에너지:박막 태양광에너지 기술 동향 및 전망

2008. 10. 30.

하 (jeha@etri.re.kr)

차 태양 연구본부

- 2 -

발표순서

u 태양 산업개요

u 태양 지 분류

u CIS/CIGS 태양 지 황

u 태양 지 산업 황 및 망

u 맺음말

- 3 -

왜 태양광 에너지 인가?

카타리나 태풍: $69.81

9/11테러: $27.77

이라크전쟁: $28.60걸프전쟁: $23.11

u지구에 들어 는 태양에 지(12만 TW)

è 지구 사용에 지(12 TW)의 10,000배

u에 지 해결

u 난화 해결

u신 장 동력 창출

- 4 -

coal

oil

solar Electricity

gas

wind

biomass

source : the European renewable energy council

u (6 places) at 3 TW each = 18 TW

u 세계 태양전지 생산량 = 3.4 GW (2007)*

u 세계 태양전지 생산 예측 = 10~15 GW (2010)

(PV Land Area Requirements)

태양광 에너지의 잠재력

(Global Demand of Primary Energy)

* source: SolarBuzzTM, March 2008

- 5 -

이동전원 및 충전용 (Off-Grid)

*BIPV = Building Integrated PhotoVoltaics

가정용 및 상업용 (BIPV*)

계통연계 산업발전 (Utility-Tied)

Solar NEXT????

Solar Textile

태양전지의 응용

- 6 -

2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 20200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Ma

rke

t S

ize

( B

illi

on

$)

Employment 74,000CO2 Saving5 M ton

Employment 271,000CO2 Saving15 M ton

Employment 780,000CO2 Saving59 M ton

Employment 1,840,000CO2 Saving192 M ton

2015

Memory Semiconductor

Photovoltaics

Year

PV Market will exceed Memory Semiconductor by 2015PV Market will exceed Memory Semiconductor by 2015

태양광발전 산업의 전망

- 7 -

Source: Yole 2008

태양전지 시장 전망

- 8 -

국내 태양전지 산업 현황 (2008.4.현재)

분야 주요 업체 명2008년도업체 수

비고

소재(Si)

원재료소디프신소재 1 모노실란

동양제철화학, KCC, 삼성석유화학 3 폴리실리콘

Ingot렉서, LG실트론, 스마트에이스, 심포니에너지, 웅진에너지, 퓨처비전, 퀄리플로나라테크, 솔믹스

9 다결정(렉서, 심포니에너지)

Wafer스마트에이스, LG실트론, 네오세미텍, 넥솔론,퀄리플로나라테크, 렉서, 대산이엔씨, MEMC코리아

8 다결정(퀄리플로나라테크)

Cell

CrystalKPE, 현대중공업, 신성엔지니어링, LG전자, STX솔라, 미리넷솔라

6

Thin Film한국철강, LG디스플레이, LG화학 (a-Si) LG마이크론

4 CIGS: LG마이크론

Module현대중공업, 에스에너지, 심포니에너지, ㈜에타솔라, 경동솔라, 쏠라테크, LG산전, Unison, 이건창호, 미리넷솔라,경남알미늄

11

장비공정장비 아바코, IPS, 주성엔지니어링, 알파플러스 3 Sputter, CVD, Etcher 등

부품 티씨케이 1 성장장치용 흑연부품 및 SiC wafer

u 1세대 결정형 Si 태양전지에 제품 군 집중

u Module 조립 중심의 산업 형태

- 9 -

발표순서

u 태양광 산업개요

u 태양전지 기술분류

u CIS/CIGS 태양전지 기술 현황

u 태양전지 산업현황 및 전망

u 맺음말

- 10 -

태양전지의 정의 및 기술분류 (1/2)

PV cell technology

Silicon

Crystalline Single, Poly

Thin filmAmorphous

Silicon (a-Si)

Compound semiconductor

Crystalline GaAs, InP

Thin filmCIS/CIGS

CdTe

Organic & non-organic

Thin film DSSC

Organic Thin film polymer

EPV (W) = esun ×h ×A ,

esun = solar energy density (W/m2);1,000 W/m2 for AM1.5

h = conversion efficiency (%)A = effective area of receiving

solar radiation

- 11 -

태양전지의 정의 및 기술분류 (2/2)

세대구분

1 세대 2 세대 3 세대

구분

결정형 박막형

단결정Si

다결정Si

III-V 박막 Si CdTe CIGS 염료감응 유기 나노

시장점유율

42% 43% < 0.1% 12% 2.7% 0.2% < 0.1% < 0.1%

모듈효율

15% 12% 35% 8% 10% 12% 7% < 5%

특징

신뢰성 확보안정된 생산공정

고효율 생산단가 저렴 생산단가 매우 저렴

고비용 공정,소재가격인하 한계

고비용소재

저효율/내구성

독성소재

고비용소재

내구성미확보

저효율 신개념

- 12 -

1982: Co-evaporation process developed at Boeing

1987: Gallium band-gap engineering; CIS to CIGS

1993: Sodium influence on crystal growth discovered

1996: Three-stage process & temperature above Cu-Se monotectic

2001: Substrate temperature at the end of 2nd stage

태양전지의 기술 발전

- 13 -

태양전지의 효율 비교 (1 Sun)

Ref.; L. L. Kazmerski, J. Electron Spectroscopy, 150 (2006), 105~135

CIGSe 모듈

CIGSe 셀

- 14 -

태양전지의 가치사슬: 결정형, 박막형

태양 발시스템

PV 모듈웨이퍼잉곳Si 소재

태양 발시스템

PV 모듈박막 공 에 의한 모노리식 집 태양 지( 리 판 또는 속foil 판, roll-to-roll)

결정형

박막형

국내 생산업체 없음

- 15 -

모듈 제작공정 비교

Chemical etching

Phophorousdiffusion

Cleaning etch

AR coating

Front print

Fine paste

edge isolation

Cell test

Circuit assembly

Stringing

Laminate assembly

Lamination

Module assembly

I-V test

Cell

Module

Circuit

Polysilicon Sorting

Polysilicon type check

Polysilicon Etch

Crystal growing

Ingot Shaping

Ingot sizing

Ingot

Wire-saw cutting

Mounting

Cleaning

Wafer

Deposit base electrode

Cut isolation Scribe

Deposit Precursors

Absorberformation

Junction Formation

Cut interconnect

Deposit window

Cut isolation scribe

Attach leads

I-V test for cell

Lamination

Module assembly

I-V test for module

Circuit

Module

(박막형 태양전지) (결정형 Si 태양전지)

u 박막형 태양전지 공정의 특징

l 짧은 공정단계 (1/2)

l Monolithic integration

- 16 -

태양전지 셀기술 현황 및 PV 비용/가격 전망

Technology 생산비용 / 판매가격 전망

재료 Cell 기술최고 양산효율 (%)

최고 실험실효율 (%)

2006Cost / Price ($)

2010Cost / Price ($)

2015Cost /Price ($)

결정실리콘(Si)

단결정 실리콘 20 24.7 2.50 / 3.75 2.00 / 2.50 1.40 / 2.20

폴리 실리콘 17.5 20.3 2.40 / 3.55 1.75 / 2.20 1.20 / 2.00

결정-기반실리콘 (Si)

리본 /Sheet Si

20 22 2.00 / 3.35 1.60 / 2.20 1.00 / 1.70

집광형 24 (Si)29 (Si),

40.7 (GaAsP)

3.00 / 5.00 1.50 / 2.50 1.00 / 1.70

비정질실리콘(a-Si)

비정질 실리콘(a-Si)

8.0 12.1 1.50 / 2.50 1.25 / 1.75 0.90 / 1.40

화합물반도체

CIS / CIGS 12 19.9 1.50 / 2.50 1.00 / 1.75 0.80 / 1.33

CdTe 10 16.5 1.50 / 2.50 0.80 / 1.50 0.65 / 1.25

Factory Profitable Price 2.50 ~ 3.75 1.50 ~ 2.50 1.25 ~ 2.20

Ref: Paul Maycock (PV energy), 33rd IEEE PVSC (2008)

- 17 -

결졍형 Si과 박막형 태양전지의 비교

◆ 안정된 성능 è 태양광발전 시장 주도 (90% 이상)

◆ 실리콘 공급 부족으로 신규 확대의 어려움

◆ 고비용 è 타 에너지 대비 가격 경쟁력 확보 곤란

◆ 뒤늦은 기술 개발/산업화 è 일본, 독일, 중국에 비해 경쟁력 열세

- 투자회수가 완료된 외국에 비해 국내기업의 투자 경제성 낮음

◆ 안정된 성능 è 태양광발전 시장 주도 (90% 이상)

◆ 실리콘 공급 부족으로 신규 확대의 어려움

◆ 고비용 è 타 에너지 대비 가격 경쟁력 확보 곤란

◆ 뒤늦은 기술 개발/산업화 è 일본, 독일, 중국에 비해 경쟁력 열세

- 투자회수가 완료된 외국에 비해 국내기업의 투자 경제성 낮음

◆ 산업화 초기 단계 è 기술 및 산업 경쟁력 확보 가능

- 세계 최고 반도체/디스플레이 기술 및 장비 핵심역량 보유

◆ 1 세대 결정형 Si 태양전지에 비해 가격 경쟁력 우수

- 결정형 Si 에 비해 에너지 회수 기간 ½

- 박막형으로 재료 절감, 대면적 및 roll-to-roll 공정 가능

u 대면적, 고효율 및 신뢰성 확보의 문제점 è 세계 기술 선도 기회

◆ 산업화 초기 단계 è 기술 및 산업 경쟁력 확보 가능

- 세계 최고 반도체/디스플레이 기술 및 장비 핵심역량 보유

◆ 1 세대 결정형 Si 태양전지에 비해 가격 경쟁력 우수

- 결정형 Si 에 비해 에너지 회수 기간 ½

- 박막형으로 재료 절감, 대면적 및 roll-to-roll 공정 가능

u 대면적, 고효율 및 신뢰성 확보의 문제점 è 세계 기술 선도 기회

1 세대 결정형 Si 태양전지의 장×단점

2 세대 박막형 태양전지의 장×단점

- 18 -

발표순서

u 태양 산업개요

u 태양 지 분류

u CIS/CIGS 태양 지 황

u 태양 지 산업 황 및 망

u 맺음말

- 19 -

CIGS PV 구조와 공정 기술

층 구분 소재 구분 공정 기술

전면금속 Al / Ni 전자선 증착

(무반사막) MgF2 전자선 증착

투명창 n-Al:ZnO / i-ZnO RF 스퍼터링 (MOCVD)

버퍼 CdS CBD (화학적용액증착)

광흡수층 CuInGaSe2 (CIGS)동시증발법,스퍼터링+셀렌화, 황화

후면금속 Mo DC 스퍼터링

박막기판 유리판, 스텐레스 스틸 foil, 폴리머 기판 세척

기판

Mo

CuInGaSe2

CdS

MgF2

Al/Ni contacts

+

-

ZnO250 nm

CdS70 nm

Mo0.5-1 µm

Glass

CIGS1-2.5

µm

- 20 -

CIGS 태양전지의 기술현황

셀과 모듈사이의 효율 차이 극복이 절대 필요함!

(Glass/Mo/CuIn(Ga)Se2/CdS/i-ZnO/Al:ZnO)

효율(%) 면적(cm2) 연구기관 비고

최고 셀 19.9 0.4 NRELPVD,

CuInGaSe2

최고 모듈 13.4 3459 Showa ShellRMP,

CuInGaSe2

생산품 12.0 (80W) 7230 Wuerth SolarPVD,

CuInGaSe2

- 21 -

CIGS 소재의 강점 및 약점

◆ Direct bandgap 반도체; (높은효율)

◆ Wide bandgap engineering (Quaternary):

1.0~2.7 eV (with Ga, Al, S doping)

◆ 높은 광흡수계수; a > 105 cm-1 for CIS

◆ Stability & Radiation resistant

◆ 고가의 인듐(Indium)소재

◆ 비싸고 복잡한 생산공정 (CdTe 대비)

◆ 4 원소 반도체로 조성 제어가 복잡

◆ 표준화된 장비 부재

- 22 -

CIS/CIGS 증착방법

◆ Elemental co-evaporation

l 단위 금속인 Cu, In, Ga, Se을 동시에 고온기판에 증착함.

l 최고 효율의 화합물 반도체 박막 태양전지 제작가능

l 박막의 조성 및 gradient를 조절가능

l 양산 기술: 1980년대 Boeing 에서 개발

▷ In-line 공정을 여러 기업에서 개발 중이거나 생산에 이용하고 있음.

▷ 대면적 모듈 > 13%

◆ Precursor reaction – two-step processes:

Cu + In + Ga + (Se) Cu(InGa)(SeS)2

l 1단계 – precursor 박막 증착

l 2단계 – Se과 반응

l 잠재적 저가 가능성 – 균일성 및 높은 재료 활용도

l 셀 성능 è 많이 알려지지 않았으나 wide Eg 와 비교할 만함.

l 양산 기술: 1980년대 ARCO Solar 에서 개발

l Batch, RTP공정을 여러 기업에서 개발 중이거나 생산에 이용하고 있음.

l 대면적 모듈 > 13%

Se, S

- 23 -

인라인 증발법 (evaporation)

Cu

In

Ga

◆ Cu, In, Ga 어레이 증기원 위에 고온기판을 진행시켜 순차적으로 증착함.

◆ 사용기판종류:

l 유기 기판

l 금속 foil, 플라스틱, 폴리머 등 è roll-to-roll 공정

◆ 양산성 이점 (manufacturability)

l 연속 roll-to-roll 공정 è high throughput

l 공정 재현성

l 대면적화 (scalable to wide areas)

- 24 -

인라인 CIGS 프리커서 증착법

1. CIGS-Precursor-Layers:- DC Sputtering of Cu, In, Ga- Se line source evaporation- Defined Sodium (Na) doping

2. RTP: Rapid Thermal Processing- High heating rates- Short cycles- Selenium / Sulphur atmosphere

è In-line compatible, fast, scalable

Ref.: Volker Probst, Shell Solar GmbH, Munich (Germany) in PV Net Workshop, Feb. 14, 2003, Ljubljana

Glass Substrate

CIGS Module Fabrication

Step 1: Precursor Coating

Step 2: RTP-CIGS Formation

Mo Cu(Ga) In Se

- 25 -

NonNon--vacuum deposition + vacuum deposition + SelenizationSelenization//surfurizationsurfurization

J. S. Britt (Global Solar Energy Inc.)

유연기판 CIGS 태양전지 R2R 공정

- 26 -

인듐 소재의 경쟁기술간 수요예측

TelluriumRecent Annual Consumption

TrendShare, (Ton) Share (%)

Iron & Steel 200 42 «

Nonferrous 40 8 «

TE, PV, & IR 105 22 ­

Chemicals 110 23 «

Other 20 5 «

Total 475 100

IndiumRecent Annual Consumption

TrendShare (Ton) Share (%)

Monitor 190 33 ­

TV 140 24 ­

Notebook PC 85 15 ­

Cell Phone 65 11 ­

Other* 100 17 «

Total 580 100

*Alloys and solders, electrode-less lamps, mercury alloy replacements, nuclear control rods, phosphors, alkaline batteries, and semiconductors including LED and PV.

Ref.: Vasilis Fthenakis, Brookhaven National Laboratory (USA), 33rd IEEE PVSC, May 2008, San Diego USA

CIGS PV cells/1 GW 당8~10 ton의 인듐을 사용함.

è당분간 충분함!

$0

$200

$400

$600

$800

$1,000

$1,200

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

2001

2003

2005

인듐(In)의 가격($/kg)변동성

- 27 -

PV 모듈 생산비용 비교

Source : Bolko von Roedern and Harin S. Ullal (NREL), 33rd IEEE PVSC (2008)

Technology

Future commercialmodule performance

(80% of current record cell efficiency)

Future Relative

Performance

Future Relative-cost (using a 50% thin film PV advantage)

Si (non-standard) 19.8% 1.18 0.85 (competitive)

Si (standard) 17.0% 1.00 1.00 (reference)

CI(G)S 15.9% 0.92 0.54 (highly competitive)

CdTe 13.2% 0.78 0.64 (highly competitive)

a-Si (1-j) 8.0% 0.47 1.06 (about the same)

a-Si (3-j) or a-Si/nc-Si

9.7% 0.57 0.88 (competitive)

Anticipated Future Module Efficiency and Relative Cost Based on Today’s Demonstrated Champion Cell Performance

- 28 -

결졍형 Si과 CIGS 태양전지의 비교

CI(G)S 결정형 Si

변환효율 ○ ◎

외관 ◎ △

제조비용 ◎ ○

공정난이도 ○ △

내환경성 ◎ ○

EPT* ◎ ○

초기투자 △ ○

* EPT: Energy Payback Time (투입에너지 회수기간)

- 29 -

u 어떻게 저가화를 실현할 것인가?

박막태양전지 Cost = 소자(50%)+부대비용(50%)

u PV 소자 효율 향상

l 태양전지(PV) 셀 효율 향상

l 셀과 모듈의 효율격차 극복

u 모듈 양산성 향상

l 대량생산을 위한 Scale-Up

l 스루풋 증진 방안

l 소재 비용의 혁신적 절감

u 부대비용 절감 (Balance of System)

l 자동화/표준화

기술 및 산업화 과제

- 30 -

발표순서

u 태양 산업개요

u 태양 지 분류

u CIS/CIGS 태양 지 황

u 태양 지 산업 황 및 망

u 맺음말

- 31 -

TOP 15 PV 생산업체들 (2007)

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0

Isofoton (ES)

Solarfun (CH)

JA Solar (CH)

Mitsubishi (JP)

BP Solar

Solarworld

Baoding Yinghi (CH)

SunPower (PH)

Sanyo (JP)

Motech (TW)

Kyocera (JP)

First Solar

Suntech (CH)

Sharp (JP)

Q-Cells (DE)

Production (MW)

1

2

3

Tie 4

Tie 4

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Rank in 2006

2

1

4

3

13

7

5

11

17

10

9

6

22

23

12

CdTe

- 32 -

태양전지 시장점유율 변화

Source: Yole 2008

- 33 -

박막 태양전지 기업의 증가추이

Source: Greentech InDetail 2008

- 34 -

박막 태양전지 기업의 변화 (³ 25 MW)

Source: Greentech InDetail 2008

CIGS for 2009?

- 35 -

태양전지 장비시장 변화 예측

Source: Yole 2008

- 36 -

미국 Solar America Initiative 비전

- 37 -

First Solar의 양산화 비전 (CdTe)

u Capacity Expansion Plan; ~1.0 GW (2009)

u Grid Parity을 위한 목표 : 2010-2012

− Consumer cost of 8 - 10 ¢ / kWh (U.S. National Average)

− Turnkey PV systems cost of ~$2.00 - $2.50 / W

− Modules price of ~$1.00 - $1.25 / W (Mass Market)

0

200

400

600

800

1000

1200

2005 2006 2007 2008 2009

연속 end-to-end 컨베이어 공정, 유리기판-모듈 / 2.5 시간공정

25100

308

484

1012

Capaci

ty (M

W)

- 38 -

ETRI의 태양광 산업비전 (TFPV1570)

◆ 건물일체형 (BIPV)

305 원/kWh

2008200820082008 2009200920092009 2010201020102010 2011201120112011 2012201220122012

◆ 소규모 태양광발전

175 원/kWh

◆ 대용량 태양광발전

70 원/kWh

2013201320132013 2014201420142014 2015201520152015

※ 타 에너지 발전단가: 석유 115원/kWh, 원자력 40 원/kWh (2007 현재)

- 39 -

감사합니다감사합니다