전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2019.12 (p54~61)

Emerging Tech; 전자디바이스
세계를 바꾸는 GaAs계 태양전지
비용 200분의 1의 절감 기술 개발

갈륨비소(GaAs)계 초고효율 태양전지는 지금까지 변환 효율이 Si계 태양전지의 2배 가까이 비싸지만, 제조 비용이 고가인 관계로 인공위성 등 한정된 용도로만 사용되고 있었다. 현재는 비용을 지금까지의 200분의 1로 절감하는 기술 개발이 진전되고 있다. 거리 주행용 EV가 필요로 하는 에너지의 대부분을 태양전지로 충당하는 등 에너지 문제에 있어서 게임체인저가 될 전망이다.

하루 수 십km의 거리 주행이라면 태양전지만으로 EV를 주행할 수 있다---. 그런 세상이 빠르게 현실로 다가오고 있다.

최근에 1㎾분 전후라는 대량의 갈륨비소계 초고효율 태양전지를 차체에 장착한 4인승 전후의 승용차 개발 사례가 급증하고 있다. 중국 Hanergy Mobile Energy Holding은 미국의 갈륨비소계 태양전지 제조사인 미국 Alta Devices를 2013년에 인수. 그 기술을 이용해 2016년에 4종류의 컨셉트카를 발표했다. 1일의 태양광 충전으로 80km를 달리는 자동차와 가동식 태양전지 패널로 되어 있어 주차 시에 앞 유리를 덮을 수 있는 일석이조의 자동차 등이 있다.

-- 2021년에는 실용화가 시작된다 --
실제 제품도 등장하기 시작했다. 원래는 대학발(發) 솔라카(태양 자동차) 팀이었던 네덜란드의 Lightyear은 2019년 6월에 고효율 태양전지를 탑재한 EV ‘Lightyear One’을 개발해 예약 판매를 시작했다. 자동차 납품은 2021년에 할 예정이다. 태양전지와 더불어 높은 공력 특성이 특징이며 추정 60㎾h의 축전지로 725km, 태양전지도 겸용해서 사용하면 약 800km 주행이 가능하다. 전비는 12k~13km/㎾h로 상당히 높다.

이런 추세는 해외뿐만이 아니다. 신에너지∙산업기술총합개발기구(NEDO)와 샤프 및 도요타자동차는 2019년 7월에 도요타의 ‘프리우스 PHV’에 샤프의 갈륨비소계 태양전지(약 860W분)를 부착한 자동차를 발표했다. 계산 상으로는 1일 태양광 충전으로 50km 전후를 주행하지만, 이것을 실증하는 수행 시험을 2019년도 말까지 지속한다는 계획이다.

-- 1일 충전으로 2일 이상 주행할 수 있다 --
일반적으로 일본의 자가용차의 주행 거리는 국토교통성의 2004년 조사에서 1일 평균 약 29km. 2015년의 소니 손해보험의 조사에서도 자가용차의 60%는 1일평균 19km밖에 달리지 않았다. 이런 자동차는 2~3일 중 하루가 맑은 날씨일 경우, 초고효율 태양전지의 발전(發電)분으로 주행에 필요한 전력의 대부분을 충당할 수 있게 된다.

-- 추가 비용은 약 1,000만엔? --
하지만 지금까지 보급되지 않았던 것에는 이유가 있다. 갈륨비소계 초고효율 태양전지의 가격이 상당이 높기 때문이다. 가격은 1W당 약 5,000~2만엔. 한편, 대규모 태양광발전 시스템(메가 솔라) 등에 이용되고 있는 Si계 태양전지는 가격이 50엔 전후이므로 실제로 100~400배가 된다. 승용차 1대에 탑재하는 1㎾분의 갈륨비소계 태양전지 셀은 500만~2,000만엔이라는 계산이다.

실제로 Lightyear One의 가격은 세금을 포함해 약 1,790만엔. 그 중 약 1,000만엔 분이 태양전지의 비용이라고 한다. 만약 연간 주행 거리 1만km로 전비(電費) 7km/㎾h의 EV일 경우, 전기세는 25엔/㎾h으며 1년에 3만5,714엔. 10년을 타도 36만엔이 안 되기 때문에 그것이 제로가 된다고 해서 고액인 갈륨비소계 태양전지를 사용하는 경제적 합리성이 성립되지는 않는다.

-- 대폭적인 비용 절감 기술이 진전 --
그러나 최근에 와서 대량의 태양전지를 부착한 자동차의 시작(試作)이 늘어나고 있는 이유로는 이 비용의 높은 장벽을 대폭적으로 절감하는 기술 개발이 진행되고 있기 때문이다. 이것을 추진하는 것은 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL)와 NEDO이다.

NREL은 기존의 갈륨비소계 태양전지의 비용을 100분의 1로 만드는 로드맵, NEDO는 200분의 1로 만드는 로드맵을 각각 세우고 있다. 만약 비용이 200분의 1이 된다면 발전 단가는 Si계 태양전지에 맞먹는 수준이 된다. 그렇게 되면 변환 효율이 높아지게 되어 커다란 장점으로 작용, Si계 태양전지의 대부분이 갈륨비소계 태양전지로 대체될 가능성도 나오고 있다. 발전 출력은 Si계의 1.5~2배가 되어 세계 및 일본의 에너지 문제의 절감에 크게 기여하게 될 것이다.

-- 기술 혁신과 양산 효과로 절감 --
NREL과 NEDO의 비용 절감 시나리오의 큰 틀은 매우 유사하다. NEDO에 의한 비용 200분의 1의 계획은 다음과 같다.

먼저 대략 4종류의 기술적인 개선으로 제조 비용을 10분의 1로 절감한다. 구체적으로는 (1)현재의 비용의 약 30%를 차지하는 갈륨비소 기판을 ELO라는 기술을 통해 태양전지로부터 박리해 반복해서 사용할 수 있게 한다, (2)태양전지의 발전 층을 3분의 1 이하로 얇게 함으로써 에피타키셜 성장(에피 성장)의 시간 단축과 재료 절감을 도모한다, (3)에피 성장 층의 일부를 Si계 태양전지로 전환하거나, 저집광(低集光)의 모듈로 한다, (4)제조 장치의 혁신과 제조 프로세스의 고속화에 의한 장치의 감가상각의 기간단축 및 재료의 이용 효율 향상을 꾀하는 4종류이다.

이것들의 기술적인 개선을 통해 결과로서는 제조 프로세스의 스루풋(throughput)도 10배 이상 향상된다.

남은 20분의 1 비용의 절감은 주로 양산 규모를 확대함으로써 진행할 계획이다. 현재의 갈륨비소 태양전지의 시장 규모는 1M~2MW/년. 이것을 10GW/년으로 1만배 확대할 수 있다면 양산 효과에 의해 자연적으로 그만큼의 비용 절감이 실현 가능하다.

-- 기판의 재이용에 드디어 길이 열려 --
이 시나리오에서 최대 도전 과제는 (1)의 ELO에 의한 기판의 박리와 반복적인 재이용의 실현이었다. ELO에서는 갈륨비소 기판 위에 릴리스층으로 불리는 얇은 층의 막을 생성해 그 위에 태양전지를 형성시킨 다음, 불화수소(HF) 등을 이용해 릴리스층을 녹이면서 태양전지 부분을 기판으로부터 박리한다.

ELO는 1978년에 일본의 연구자에 의해 제안되었으나, 양산 기술로의 적용에는 전망이 서지 않았다. 박리한 기판을 반복해서 재이용 할 수 있는 가능성이 보이기 시작한 것은 바로 최근의 일이다. 2019년 10월의 NEDO 성과보고서에서 처음으로 샤프가 10회 재이용을 할 수 있게 되었다고 발표했다.

-- 닦을까 닦지 않을까, 그것이 문제 --
-- 셀 두께를 3분의 1로 박막화 --
비용절감 기술의 (2)는 셀을 지금까지의 3분의 1 이하인 3㎛ 두께 전후로 박막화하는 수법이다. 에피 성장에 필요한 시간이 대폭적으로 줄어들 뿐 아니라, 고가의 재료 사용률도 크게 줄어드는 장점이 있다.

그러나 단점도 있다. 단순한 박막화로는 변환 효율이 크게 저하되고 만다. 태양전지의 각 층이 너무 얇아 빛을 충분히 이용하지 못하고 투과되기 때문이다. 두께에 따라서는 변환 효율이 16%정도까지 낮아진다.

NREL 및 NEDO는 박막화된 갈륨비소 태양전지와 Si계 및 CIGS계 태양전지를 조합시킴으로써 비용을 올리지 않고 변환 효율 저하를 피하려 했다. Si계 태양전지는 주로 긴 파장의 태양광을 받아들이는 바텀쉘로서 이용한다. 이것이 (3)의 대책이다.

-- 4단자 셀을 실용화 --
-- 더욱 얇게 하는 선택지도 --
-- ELO의 박리 속도는 당초의 6배 빨라 --
비용 절감대책의 (4)는 (1)~(3)을 포함한 제조장치의 혁신과 제조 프로세스 전체의 고속화와 고품질화이다. 예를 들어 ELO에서는 기판에서의 태양전지 박리 속도의 고속화가 CMP를 이용하지 않는 기판의 고품질화에 있어서도 중요한 과제가 되고 있다.

박리 속도는 당초, 4인치의 기판으로 7.58mm/h라는 속도였다. 이것으로는 기판 한 장을 박리하는데 13시간 이상이 소요된다. 박리에 시간을 소요하면 생산성이 낮을 뿐만 아니라, 앞에서 말한 불화수소(에칭가스)가 기판의 핀 홀을 더욱 크게 확대해 버린다. 박리 속도를 높이면 핀 홀의 크기가 작아져 “박리 속도가 20mm/h 이상이면 급속도로 핀 홀이 눈에 띄지 않게 된다”(도쿄대학의 오카다 씨). 현재 수율은 아직 낮지만 50mm/h이면 고속박리가 실현될 수도 있다고 한다. NEDO의 목표는 55mm/h. 4인치 기판을 2시간만에 박리하는 속도이다.

그러나 샤프는 양산성 확보를 위해서는 이것만으로는 아직 부족하다고 보고 있다. “양산 시에는 ELO의 프로세스를 100 병렬 정도로 해서 생산성을 높일 필요가 있다”(샤프).

-- 성막(成膜) 속도는 기존의 20배 속도 --

-- 최종 관문은 용도의 개척 --
기술적인 개선에는 아직 ELO의 수율 향상 및 에피(Epi) 성장 시의 재료 이용 효율의 향상과 같이 검토하지 않은 항목이 남아있다. 그러나 “기술적으로는 10분의 1의 비용을 절감하는 전망이 나왔다”(도쿄대학의 오카다 씨)라고 한다.

샤프도 기술적인 점에서는 공통적인 생각이지만, 비용의 대폭적인 절감을 성공시키기 위해서는 “시장에서의 수요를 만들어 내는 것이 가장 중요하다”라고 말한다. 비용의 대폭적인 절감은 대규모 양산을 의미한다. 아무리 기술이 있어도 그것을 받아 낼 시장이 없다면 그 어떤 획기적인 기술 개발도 그림의 떡이기 때문이다. 실제, 차기 기술 개발로 내세운 20분의 1의 비용 절감 전략은 대규모 양산 그 자체를 의미한다.

 -- 끝 --