태양전지용 규소 소재 공급

태양전지용 규소 소재 공급

Silicon Feedstock Supply for Solar cells

한국에너지기술연구원 태양광발전연구팀 윤 경 훈 Kyung-Hoon Yoon

Photovoltaic Research Team, Korea Institute of Energy Research

요 약

전세계 태양전지 생산량의 약 90%는 결정질규소(crystalline silicon)를 소재로 한 것으로 향후 수년간은 계속 시장의 주류를 형성할 것으로 전망하고 있지만, 동 소재의 공급은 전적으로 전자산업용으로 생산되는 규소 웨이퍼에 의존하고 있는 것이 취약점이다. 태양전지가 향후 전력시장에서 화석연료 및 원자력발전 과 경쟁하기 위해서는 적어도 지금 보다 수백 배 내지 그 이상 보급이 확대되어 야 하는데, 그러기 위해서는 우선 태양전지 소재의 공급 대책이 강구되어야 한 다. 단기적으로는 현재의 공정을 개선하는 등 소재의 사용 효율을 높이는 것과, 보다 근본적인 방안으로는 태양전지용에 적합한 품질(SG : Solar Grade)의 규소 소재 생산기술의 개발이다. 또 다른 대안으로 사용 원료의 최소화가 가능하고 대량생산에 적합한 태양전지의 박막화 기술개발을 촉진하는 것이다.

1. 서 론

최근 수년간의 태양전지 생산량은 급속도로 증대되고 있다. 특히 2001년에는 약 400 MW에 달함으로써 전년대비 약 39%, 2년 전에 비해서는 배가되었다. 현 재 태양전지의 약 90%는 단결정(single-crystal) 및 다결정(multi-crystal)의 결 정질규소(crystalline silicon)를 소재로 한 것으로 앞으로도 수년간은 계속 시장 의 주류를 형성할 것으로 전망되지만, 문제는 아직까지 동 소재의 공급이 전적 으로 전자산업용으로 사용하기 부적합한 규소 웨이퍼에 의존하고 있는 점이다.

태양전지의 대량 보급을 위해서는 우선 태양전지 원료의 공급 대책이 강구되어 야 한다. 여기서는 태양전지용 규소 공급과 수요에 대한 외국 전문가들의 분석 과 함께 공급부족 해소를 위한 단기적인 이용합리화 방안, 나아가서는 태양전지 용에 적합한 품질(Solar Grade : SG)의 규소 소재 생산기술의 개발 등의 중장기

적인 방안과 그 전망을 기술하고자 한다.

2. 태양전지용 규소 소재 공급과 수요

SiO2의 환원반응으로부터 생산되는 규소는 순도 98.5-99.5%의 Metallurgical-Grade (MG) 규소이다. 주요 불순물은 규소화합물의 형태로 존재 하는 철, 알루미늄, 칼슘, 마그네슘과, 기타 제거가 어려운 붕소, 인, 카본 등이 다. 전세계적으로 연간 약 1 백만 톤이 생산되고 있는데, 주로 전기 값이 싸고, 원료인 석탄, quartz 자원이 풍부한 국가들이 주 생산국이다. 유럽의 Elkem, Pechiney, 미국, 남아공, 브라질, 호주 등이다. MG 규소의 가격은 품질, 순도, 입 자크기에 따라 달라지는데, 대략 $1.5-2.5/kg이다. 주로 제강공업, 합금제조, 유 기 규소 화합물, Electronic-Grade (EG) 규소 생산용으로 활용되고 있다.

현재의 태양전지용 규소 소재는 초고순도를 필요로 하는 전자산업용의 EG 규 소로부터 공급받고 있다. 고순도 SiH4, SiHCl3 의 열분해 공정으로 제조하는 EG 규소의 생산은 7개 회사가 주도하고 있다.

3대 회사인 독일 Wacker, 미국 Hemlock, 일본 Tokuyama Soda는 [그림 1]에 나타낸 바와 같은 Siemens-type의 반응장치를 이용하고 있다. 두께 약 10 mm 의 고순도 규소 봉이 흑연 전극에 연결되어 있고, 전극을 통해 전력이 공급되면 규소 봉은 약 1100-1200℃로 가열된다. SiHCl3 + H2 혼합물을 반응기 내로 흘려 주면 규소가 봉 위에 성장한다. 현재의 반응기로 한꺼번에 직경 150 mm, 길이 150 cm의 봉 12개까지 생산할 수 있다. 비슷한 공정이지만 미국의 ASM은 공급 원으로 SiH4 가스를 사용하는데, 이 경우 온도는 앞의 경우보다 낮은 약 800℃

로 유지된다.

미국의 MEMC에서는 Bell-jar 형태의 반응장치 대신 FBR(Fluidised Bed Reactor)를 사용하고 있는데, 규소 seed 입자는 반응기 하단부에서 공급되는 SiH4 + H2 가스 혼합물에 의해 부유하게 된다. 약 600℃에서 heterogeneous반 응이 일어나고 규소는 직경 2 mm 의 크기로 자란다. 큰 입자는 하중에 의해 하 단으로 떨어진다. 에너지 절약형 공정이고 생산수율은 높지만 앞의 경우에 비해 질적인 면에서 차이가 없는지, 그리고 저가 공정인지는 아직까지 분명하지 않다 현재 EG 규소의 생산가는 $30-45/kg으로 생산공정, 표면처리, 분석비용, 공장 위치에 따라 약간씩 차이가 난다.

[그림 1] Hemlock 의 고품위 다결정 규소 생산 공정 흐름도³⁾

EG 규소의 연도별 생산 현황 및 설비용량 추이는 <표 1>과 같다³⁾. 2001년 에는 전년도에 비해 설비용량이 대폭 증가하여 약 25000톤에 달하였는데, 실 생 산량은 약 18,500 톤으로 집계되고 있다. 2001년 이후 연간 생산량이 매년 2000 톤 씩 증가한다고 가정하면 현재의 예상 설비는 몇 년 내에 바닥이 날 것이다.

위에서 언급한 바와 같이 현재의 태양전지용 규소 소재는 전자산업용의 EG 규 소로 충당되고 있는데, [그림 2]는 EG 규소 생산 및 사용의 전공정에서 발생하 는 불량품으로 태양전지용 규소 공급원이 되는 과정을 나타내고 있다⁴⁾.

<표 1> Electronic-grade 규소 생산량 및 설비³⁾

1992 1994 1996 1998 2000 2001 2002 2004

Wacker(독) 1760 2030 2400 2700 3000 4200 4200 5050

Hemlock(미 ) 1400 2400 3400 4200 4200 5800 5800 5800

Tokuyama(일) 1200 1800 2000 3000 2400 4500 4800 4800

Mitsubishi(일) 950 1100 1200 1400 2100 2660 2810 3560

MEMC(이태리,미) 1150 1400 1620 1800 2000 3160 3160 3160

ASM(미) 1140 1300 1575 1700 2200 4500 4500 4500

Sumitomo(일 ) 450 450 500 600 500 700 700 700

ROW(기타) 0 0 300 100 100 100 100 200

계 8050 10480 12995 15500 16500 25620 26070 27770

1단계 공정은 EG 규소 생산 공정이고, 2단계는 Czochralski (Cz) 나 Float-zone (FZ) 방법에 의한 잉곳제조, 3단계는 잉곳 sawing에 의한 웨이퍼 제 조공정, 그리고 4단계는 집적회로 제조공정이다. 전 공정을 통하여 제품의 규격 에 미달하는 제품이 발생하는데, 이 소재는 재생하거나 아니면 태양전지 제조업 체에 판매된다. 전통적으로 태양전지업체에 공급되는 규소의 대부분은 제 2단계 에서 발생하는데, 이 들은 미국과 일본의 중개업자 손을 거치고 있다. 1단계에서 발생하는 미달품은 EG 규소 생산업체에서 직접 태양전지 제조업체로 넘어간다.

단계별 발생 규소의 경로는 다음과 같다.

1) 1단계

SiH4, SiHCl3 열분해 증착법으로 만든 규소 봉은 덩어리 모양으로 분쇄하여 Prime규소로 잉곳 제조업체에 넘어간다. 분쇄과정에서 발생하는 부스러기와 분 진은 태양전지업체에 판매된다. 1단계에서 생산되는 규소의 약 5%가 태양전지 용 공급원료로 판매된다. 이들 재료는 직접 Cz 잉곳이나 다결정 잉곳 생산용으 로 사용되고 일부는 세척 및 분류 공정을 다시 거친다. FBR 공정 중에 발생하 는 크기가 적은 bead나 분진은 태양전지용으로 넘어간다.

2) 2단계

저압 Ar 분위기에서 석영 crucible 내의 용융 규소로부터 직경 10-30 cm의 단결정 규소를 성장시킨다. 성장 후 상하단의 부분은 잘라내고 나머지 부분은 탄소, 산소 등의 원소분석과 결함 등의 분석을 거친다. 이상이 없으면 일정 크기 로 연마하여 웨이퍼 공정으로 넘어가게 된다. 규격 미달 부분과 상하단의 잘라 낸 부위는 규소 소재 산업의 원료나 아니면 태양전지용으로 판매된다. 태양전지

용으로는 n-type으로 저항 0.5 Ω cm 이상, p-type으로 저항 3 Ω cm 이상의 조 건을 만족시켜야 한다.

냉각 후 crucible에 남아있는 (pot scrap) 부분도 태양전지용으로 사용되는데, 우선 기계적 처리 및 불산 에칭을 거쳐 석영을 제거한 후 다결정 잉곳의 원료로 사용된다. Cz공정의 경우 현재의 추세가 저 저항 웨이퍼 위주로 태양전지용으로 부적합하고, 규격 미달품은 점차 재 사용하는 경향으로 향후 어느 정도 태양전 지용 규소 공급에 기여할 지 불확실한 요소가 많다. 현재 이론적으로 약 10%

정도 태양전지용으로 공급 가능하지만 현실적으로는 저 저항 부분에 의한 공급 감소가 20%, 자체 재사용에 따른 공급 감소가 또 20%에 달한다.

3) 3단계

잉곳 크기가 20 cm 이상이면 wire sawing, 적으면 ID sawing 하는데, 이 때 수율은 약 90-95%로 깨지거나 결함이 있는 웨이퍼가 발생케 된다. 세척 및 분 류하여 태양전지용으로 사용할 수 있지만 현재 활용치 않고 있다.

4) 4단계

고품질의 웨이퍼가 IC 업체에 넘어가면 다양한 공정을 거치게 되는데, 공정 모니터용 웨이퍼와 함께 일부 코팅된 웨이퍼가 태양전지용으로 넘어간다. 현재 2개 태양전지 업체가 표면의 코팅을 제거하여 태양전지용으로 사용한다. 연간으 로 대략 5-10 백만 개의 웨이퍼가 이러한 과정을 거치는 것으로 추정되고 있다.

[그림 2]에서는 이 부분이 빠져있는데 그 양은 연간 100-200톤 정도이다.

[그림 2] 외에 중요 공급원이 “non-prime” 규소로 이는 전적으로 태양전지용 으로 생산되는 것으로 그 품질이 IC 용으로는 부적합하지만 태양전지용으로는 충분하다. 공급단가 측면에서 [그림 2]에서 발생하는 어떤 규소보다 비싸다. EG 규소 생산회사들은 현재 태양전지 업체를 성장전략의 중요 부문으로 인식하고 있고, 특히 수요 부족으로 EG 규소 수요가 설비를 뒤따르지 못하는 요즘은 설 비를 놀리기 보다 훨씬 더 이익이 되기 때문에 더욱 더 그러하다. 하지만 태양 전지 업체로서는 전자산업의 수요가 넘칠 때는 단가가 $40-60/kg에 달하는 등 태양전지 업체의 목표가 $20-25/kg와 큰 차이가 나므로 공급의 불확실성에 유 의하여야 한다.

EG 규소의 생산량이 매년 2000톤씩 증가한다고 가정할 경우 이로부터 태양전 지용으로 공급 가능한 규소는 <표 2>와 같다. 여기서 Non-prime 공급량은 가 변적이라 연간 100톤으로 크게 잡지 않았다. 이는 IC의 수요가 많으면 당연히 태양전지용 원료공급량이 줄어드는 것을 감안한 것이다.

[그림 2] EG 규소 소재 및 태양전지용 소재 공급 흐름

Silicon Materials Industry Deposition of high-purity Silicon (EG-Si)

- Siemens-type reactor - Fluidised bed reactor

Silicon Materials Industry (Ingot) - Cz process

- Fz process

Silicon Materials Industry (Wafering) - ID Saw

- Wire Saw

IC Industry Wafer processing

Customized Chip Process Step 1

Process Step 2

Process Step 3

Process Step 4

Off-spec Si

95% 5%

90% 10% Crystal Sections

Pot Scrap Out of PV-spec

Broken Wafer 90%

Reclaim Wafer

<표 2> 연도별 태양전지용 규소 공급량⁴⁾

off-spec crystal sec. pot scrap Non-prime 계

(톤/연) (톤/연) (톤/연) (톤/연) (톤/연) (톤/연)

2000 17000 850 970 650 800 3270

2001 19000 950 1083 722 1000 3755

2002 21000 1050 1197 798 1100 4145

2003 23000 1150 1311 874 1100 4435

2004 25000 1250 1425 950 1100 4725

2005 27000 1350 1539 1026 1100 5015

태양전지용 규소 공급량 EG-Si 생산

전세계 태양전지 생산량이 2000년에 288 MW, 2001년에 약 400 MW로, 이 중 웨이퍼 이용 결정 규소는 250 MW, 340 MW이다. 2001년 이후 성장률을 연간

20%로 잡으면 수급은 <표 3>과 같이 계산된다. 이 때 MW당 소요 규소량은 2000년 17톤/MW에서 매년 5%씩 감소하는 것으로 가정하였다.

2001년 모듈 생산 통계가 나오기 이전의 수급 분석에서는 연간 성장률을 20%

로 잡아도 2004년까지는 수급의 문제가 없는 것으로 나타났으나 최근의 급격한 모듈생산량 증가는 이미 그 수급이 한계에 달한 것으로 나타나고 있다. 2001년 의 경우 공급 부족은 전년도의 재고량에서 충당되었을 것으로 추정된다.

최근 주요 모듈 생산업체들이 경쟁적으로 설비를 확충 또는 계획 중에 있어

<표 3>의 공급 전망도 단기간에 더 악화될 가능성이 높다.

<표 3> 연도별 태양전지용 규소 수급 전망

모듈생산 규소 소요 전체 규소 소요 규소 공급 공급-수요

(MW/연) (톤/MW) (톤/연) (톤/연) (톤/연)

2000 230 17.00 3910 3270 -640

2001 340 16.15 5491 3755 -1736

2002 408 15.34 6260 4145 -2115

2003 490 14.58 7136 4435 -2701

2004 588 13.85 8135 4725 -3410

2005 705 13.15 9274 5015 -4259

3. 태양전지용 규소의 합리적 사용 (단기적 방안)

태양전지 공정 중 소재의 보다 합리적 사용으로 단위 모듈 생산에 소요되는 규소의 소모량을 줄일 수 있다. 그 중 하나는 공정 중 대량으로 발생하는 폐기 물과 섞여있는 규소를 재생하는 것이다.

프랑스 Photowatt사의 최근 분석 결과를 요약한 [그림 3]에 나타낸 바와 같이 다결정 규소 태양전지 생산 공정(잉곳 성장부터 모듈 제조) 중에 엄청난 양의 규소가 낭비되고 있으므로 재생 가능 잠재량은 매우 크다^5). 대략 투입되는 규소 의 약 2/3(68%)가 갖가지 공정 중에 버려지는데, 그 양은 MW 당 약 10톤에 이 른다. 가장 낭비가 심한 공정이 잉곳성장과 sawing 공정으로 투입 규소량의 각 각 30%, 34%에 이른다. 잉곳을 블록 형태로 절단하는 공정과 잉곳 crust(다량의 불순물 함유) 부위의 제거 등에서 waste가 발생한다. 웨이퍼 sawing에서 발생하

는 폐기물은 대부분 직경 1 μm 미만의 분말로 오일 및 기타 분말과의 슬러리 형태로 나타난다.

여기서 발생하는 폐기물은 도핑 농도 등 태양전지용으로 적합한 소재였기 때 문에 재생에 필요한 공정도 여타 소재의 정련에 비해 유리하다. 또 다른 측면은 슬러리 폐기에 따른 환경오염의 방제 측면에서도 재생 기술의 개발은 매우 유망 하다고 볼 수 있다. 현재 폐기물의 약 75% 정도를 재생할 수 있을 것으로 추정 하고 있다. 이는 모듈 MW 당 소요되는 규소의 소요량을 지금의 1/2로 줄일 수 있는 수치이다.

한편 잉곳 crust의 일부분, 전지 및 모듈 공정 중 깨지거나 그리 오염되지 않 은 규소는 현재도 재생하고 있지만 그 양은 미미하다.

최신의 wire sawing 기술을 적용하여 웨이퍼 두께를 줄일 수 있으면 그 만큼 잉곳이나 블록 단위 길이당 만들 수 있는 웨이퍼의 수는 늘어난다. 현재 웨이퍼 의 두께는 250-350 μm, 기계적 수율이 85-90% 인데 비해 두께 150 μm가 되면 수율이 약 80% 이상은 되는 것으로 나타나고 있어 매우 희망적인데, 그렇게 되 면 웨이퍼의 수를 20% 이상 증가시킬 수 있다는 계산이 된다. Photowatt사의 보고에 의하면 150μm 두께 웨이퍼를 이용한 태양전지에서 시험단계에서 효율 14%를 달성 그 결과가 매우 고무적이다.

[그림 3] 다결정실리콘 태양전지 공정 중 규소 waste⁵⁾

Multi-x Silicon Ingot

30 % 4 tons Si/MW Multi-x Silicon

Brick

Multi-x Silicon Wafer

Multi-x Silicon Solar Cells

34 % 5.1 tons Si/MW

4 % 0.6 tons Si/MW

ToTal : 68 % 9.7 tons Si/MW

Si ingot crusts (O, Metasl)

Water mixed with Si, Fe, C particles

Wire sawing slurries with 10% Si power SiC, Fe, carrier liquid (oil, PEGlycol)

Broken wafers, partly processed and partly contaminated

4. 태양전지용 규소 대체 공급원 확보 (중장기적 방안)

태양전지용으로 적합한 저가 규소 개발이 지난 20년간 추진된 바 있다. 특히 1980년대 독일의 Bayer, Siemens, Wacker 등은 다양한 공정을 시도를 통하여 개발을 추진하였으나 산업화로 이어지는 공정개발에 성공하지 못하였다. 필요한 생산 규모에 부적합하거나 고효율 태양전지용으로는 품질이 낮아 기존 공정과 경쟁 가능한 수준에 이르는 것이 불가능하였기 때문이다. 현재에도 향후 5년 내 에 실용화를 목표로 한 기술개발이 추진되고 있는데 그 개요는 다음과 같다.

1) 독일 Wacker Chemie

고순도 SiHCl3, FBR 공정으로 고효율 태양전지에 적합한 고순도 규소 입자 생산 공정을 개발하고 있다. 2003년 연산 200톤 규모의 파일럿 시험을 계획하고 있고, 2006년에 연산 500톤을 목표로 하고 있다. 목표 단가는 연산 500톤 규모에 서 $25/kg, 이 소재는 순도가 높지 않아 반도체용으로는 부적합한 것으로 보고 되고 있다.

2) 일본 Kawasaki Steel

고순도 정련 공정을 거쳐 MG 규소를 SG 규소로 제조하는 기술로 현재 파일 럿 개발 단계에 있다. 대규모 생산이 가능한지는 아직까지 미지수이고, 문제는 순도와 소재의 단가이다.

비정질 및 다결정 박막 실리콘, CuInSe2, CdTe 등을 소재로 한 박막 태양전지 의 기술적 가능성은 적어도 실험실적으로는 이미 증명되어 있다. 실리콘 박막 태양전지의 경우 기존 웨이퍼 태양전지에 비해 규소 소재의 소모량을 약 60%

정도 줄일 수 있다. <표 4>는 그 비교 자료로 최종 모듈에 들러가는 규소의 양 은 박막 태양전지가 웨이퍼 태양전지의 1/100 이하임을 볼 수 있다⁶.

2001년 말 박막 태양전지의 생산량(실리콘, CuInSe2, CdTe)은 약 40 MW로 약10% 점유율을 나타내고 있는데, 태양전지 시장에서 웨이퍼 태양전지와 경쟁 하기 위해서는 모듈 효율이 적어도 10%, 수명이 20년 이상은 보장되어야 한다.

현재 일부 기술이 실용화 단계에 접어드는 등 기술개발 결과가 매우 고무적이지 만 위 수준에 도달하기까지에는 앞으로도 더 많은 연구개발이 뒤따라야 한다.

<표 4> 실리콘 웨이퍼와 박막 태양전지 비교⁶⁾

Data/kW Wafer-based Silicon Thin Film Silicon

Area needed 7 m² 14 m²

Use of Si 20 kg Si 250 g SiH₄

Si in the final module 6 kg Si 50 g Si Energy payback time 5-6 years 2-3 years

5. 결 론

최근 일본, 독일을 위시한 선진국들의 집중적인 확대 보급정책에 힘입어 태양 전지 시장이 매우 빠르게 성장하고 있다. 전세계적으로 현재의 추세가 지속되기 위해서는 규소의 공급이 원활하여야 한다. 최근 전자산업의 성장세 둔화로 여분 의 생산설비를 태양전지용으로 전환할 수 있어 지금까지는 공급에 문제가 없었 으나 향후 전자산업이 상승추세로 전환되면 공급가격도 오를 수밖에 없어 조만 간 현실적인 대책이 마련되어야 한다. 단기적으로는 공정 개선에 의한 소재 절 감 노력, 중장기적으로는 기존 공급원을 대체할 수 있는 근본적인 방안이 필요 하다. 그 첫 번째가 태양전지 전용의 규소 생산 기술개발이고, 장기적인 노력이 필요하지만 더 근본적인 방안은 태양전지의 박막화이다. 기술개발과 산업화, 보 급 측면에서 아직 초보단계에 있는 우리 나라로서는 기존 공정의 개선을 통한 소재의 합리적 사용과 함께 근본적인 대처방안을 함께 강구하여야 할 것이다.

참고문헌

1. PV News, February 2002.

2. Systeme Solaires, No. 149, Juin 2002.

3. Peter Woditsch et al, "Solar Grade Silicon Feedstock Supply for PV Industry", Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 72, pp. 1-26, 2002.

4. H. A. Aulich et al, "Crystalline Silicon Feedstock for Solar Cells", Progress in Photovoltaics : Research and Applications, Vol. 10, pp.

141-147, 2002.

5. D. Sarti et al, "Silicon Feedstock for the Multi-crystalline Photovoltaic Industry, Solar Energy Materials & Solar Cells, Vol. 72, pp. 27-40, 2002.

6. http://www.vhf-technologies.com/