CIGS 태양전지(Cu(In,Ga)Se₂)는 높은 효율, 유연한 설계, 다양한 응용 가능성을 통해 차세대 태양광 기술로 주목받고 있다. 이 글에서는 CIGS 태양전지의 셀 및 모듈 제조 기술을 중심으로, 효율 향상을 위한 연구 동향과 BIPV와 같은 실용적 응용 분야에서의 가능성과 미래를 다룬다.



글/ 고려대학교 주병권 교수님 연구실

주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
최은평 (고려대학교 전기전자공학부 석박통합 과정)
 

목 차

1. 서론
2. CIGS 태양전지 소개 및 구동원리
3. CIGS 태양전지의 연구 동향
   3-1. Cell
      3-1-1. 알칼리이온 도핑 및 공정 최적화
      3-1-2. GaOx 계면문제와 해결 방안
   3-2. Module
      3-2-1. CIGS 단일집적모듈의 고효율화
      3-2-2. Laser 가공기술 최적화
4. BIPV 시장과 반투명 태양전지
   4-1. 투광 가공 기술 및 유연기판 활용
   4-2. CIGS 태양전지 기반 Parametric Design
5. 추가적인 고효율 방안
   5-1. CIGS 기반 PVSK Tandem
   5-2. Bifacial 태양전지
6. 결론
7. 참고 문헌
 
 
1. 서론

태양광 발전은 지속 가능한 에너지 전환과 탄소 중립 목표를 달성하기 위한 기술 중 하나이다^[1,2]. 실리콘(Si) 태양전지는 높은 효율과 안정성을 바탕으로 수십 년간 태양광 산업을 주도해왔다^[3]. 그러나 기술 발전과 시장 의 다양한 요구로 기존 기술만으로는 해결하기 어려운 상황이 발생되고 있다^[4].

특히, 건물일체형태양광발전(BIPV, Building-Integrated Photo Voltaic) 분야는 기존 실리콘 태양전지의 물리적 특성과 설계 유연성의 한계를 넘어서는 도전을 요구한다. 이러한 상황에서 CIGS 태양전지는 우수한 광흡수 특성과 얇은 구조, 다양한 크기 및 모양의 모듈 제작 가능성에 주목받고 있다. CIGS 태양전지는 반투명 건축 자재, 유연 기판 등 다양한 활용 가능성을 제공하며, 기존의 태양광 발전 형태를 넘어 창의적인 응용 사례를 가능하게 한다^[7].

CIGS 태양전지는 밴드갭 조절이 가능하고 높은 광흡수 계수를 가지며 1~2 μm의 얇은 박막형태의 고효율 태양전지 제조가 가능하다^[6]. 또한, 유연화(Flexible)에 대응하기 위해 초박형 유리(UTG, Ultra Thin Glass)나 폴리이미드(PI, Polyimide)기반 CIGS 태양전지를 제작할 수 있다^[9].

이 보고서에서는 CIGS 태양전지의 기본 구조와 구동 원리를 설명하고, 고효율화를 위한 최신 연구 동향을 소개한다. 특히, 알칼리 이온 도핑, 계면 문제 최적화, 레이저 가공 기술 등 핵심 기술을 다루며, 셀과 모듈 단위에서 효율 극대화를 위한 연구 동향을 정리하며. 또한, 추가적인 효율 확보 및 CIGS 기술의 응용 범위 확장을 위해 페로브스카이트와의 탠덤(CIGS/Perovskite Tandem), 양면형(Bifacial) 태양전지에 대해 소개한다.

CIGS 태양전지는 실리콘 태양전지의 장점을 보완하면서도 독창적인 응용 가능성을 열어주는 기술로 예상된다. 이를 통해 태양광 발전의 새로운 가능성을 모색하며, 지속 가능한 에너지 생태계 구축에 기여할 수 있을 것으로 예상된다.

2. CIGS 태양전지 기술 소개 및 구동 원리

CIGS 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 구성된 박막 태양전지로, 실리콘 기반 태양전지에 비해 얇은 두께로도 높은 효율을 달성할 수 있는 기술이다^[13,14]. 

CIGS 태양전지의 기본 구조는 유리 기판(SLG) 위에 Molybdenum(Mo) 후면 전극, CIGS 광흡수층, CdS 또는 Zn(O,S)와 같은 버퍼 층, 그리고 투명 산화물 전극(TCO, Transparent Conductive Oxide)으로 구성된다(그림 1a,b). CIGS의 조성에서 인듐(In)과 갈륨(Ga)의 비율을 조절하면 밴드갭을 조정할 수 있어, 셀 효율 최적화와 다양한 응용 가능성을 제공한다.

CIGS 태양전지는 태양광이 활성층에 흡수되면서 전자와 정공이 생성되는 것으로 구동이 시작된다(그림 1c). 생성된 전자와 정공은 광흡수층 내에서 이동하며, p형 CIGS와 n형 버퍼 층의 접합부에 형성된 전기장에 의해 분리된다. 이때 전자는 n형 층으로, 정공은 p형 층으로 이동하며 전하가 분리된다. 분리된 전자는 투명 전극을 통해 외부 회로로 전달되고, 정공은 후면 전극을 통해 나가게 되어 전류를 형성한다.
 

3. CIGS 태양전지의 연구 동향

CIGS 태양전지 기술은 고효율화를 목표로 꾸준히 연구되고 있다. 연구 영역은 크게 셀(Cell)과 모듈(Module)로 나뉘며, 각각의 발전 방향이 상호 보완적으로 이루어지고 있다. 

3-1. Cell

CIGS 셀은 높은 효율을 위해 소재의 조성과 공정 최적화를 중심으로 발전해 왔다. 특히, 알칼리 이온 도핑, 계면 품질 개선 등의 접근이 주요 연구 주제로 진행되고 있다.

3-1-1. 알칼리 이온 도핑 및 공정 최적화

CIGS 태양전지에서 알칼리 이온 도핑은 셀 효율을 극대화하는 핵심 기술이다. 알칼리 이온은 CIGS 제조공정 후 표면에 극소량의 알칼리 이온을 도핑하며, 계면 품질 향상과 전자의 이동도를 개선하는 역할을 한다. 특히 나트륨(Na)과 칼륨(K) 이온을 주로 사용하였으나 최근에는 루비듐(Rb) 및 세슘(Cs)까지 활용하여 셀 효율을 23% 이상으로 끌어올릴 수 있었다(표 1). 최근에는 알칼리 이온 도핑에 2가지 이상의 원소를 사용하기 시작하였으며, 도핑 원소 조합과 농도를 최적화하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

 

3-1-2. GaOx 계면문제와 해결 방안

최근에는 반투명 태양전지를 제작하기 위해 Molybdenum과 같은 금속 전극이 아닌, 투명산화물전극(TCO, Transparent Conductive Oxide) 기반 CIGS 태양전지의 연구가 진행되고 있다. 투명산화물 전극을 기반의 CIGS 태양전지는 CIGS 증착공정 중 계면에서 GaOx 산화물이 형성되는 문제가 발생한다. 이 산화물은 계면 재결합 손실을 증가시키고 전류 흐름을 방해한다(그림 2a). 

이를 해결하기 위해 GaOx 형성을 억제하는 공정온도 조절 및 알칼리 이온 도핑과 함께 계면에서 부반응이 일어나지 않도록 안정화 시키는 연구가 진행되고 있다. (그림 2b)
 

3-2. Module

CIGS 모듈은 대면적 제조와 Laser 가공 안정성 향상에 중점을 두고 연구되고 있다. 특히 단일 집적 모듈의 효율 향상 및 레이저 가공 기술 최적화가 주된 연구 주제로 떠오르고 있다^[15].

3-2-1. CIGS 단일집적모듈의 고효율화

단일 집적 모듈 방식은 모듈의 구조적 단순화를 통해 제조 비용 및 시간을 절감하고 효율을 높이는 데 중요한 역할을 한다. 특히, 레이저 가공을 활용한 P1(하부 전극 절연), P2(셀과 셀 직렬 연결), P3(상부 전극 절연) 공정 최적화(그림 3a,b)는 광학적, 전기적 손실을 최소화하고 모듈 내 셀 저항을 감소시켜 효율을 향상시킨다. 최근 연구에서는 공정 제어와 레이저 파라미터 최적화를 통해 CIGS 모듈 효율을 15% 이상^[9]으로 향상시킨 사례가 보고되었다(그림 3c,d).
  

3-2-2. Laser 가공기술 최적화

레이저 가공 기술은 CIGS 모듈 제조 공정에서 정밀성을 높이고 생산성을 향상시키는 데 핵심적이다. 레이저 패터닝 공정은 박막 태양전지에서 중요한 역할을 하며, 셀 간의 단락을 방지하고 전기적 접촉을 개선하는 데 사용된다. 특히, 레이저 파장의 선택과 펄스 지속 시간의 최적화는 CIGS 광흡수층의 열적 손상을 줄이고 효율을 극대화하는 데 기여하기에 최적화 연구가 진행중이다^[9].

4. BIPV 시장과 반투명 태양전지

건물일체형태양광발전은 태양광 모듈이 건축 자재로 사용되는 기술로, 최근 효율과 디자인을 동시에 만족할 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 특히, CIGS 태양전지 기반의 반투명 태양전지는 우수한 광전 특성과 디자인 유연성을 바탕으로 BIPV 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.

4-1. 투광 가공 기술 및 유연 기판 활용 

CIGS 태양전지 기반의 반투명 태양전지는 건축 자재에 자연스럽게 통합되도록 설계를 시도하고 있다(그림 4a). 이는 투과도와 효율 간의 균형을 유지하기 위한 혁신적인 기술을 필요로 한다. 이를 위해서는 투광 패턴 기술을 통해 빛의 투과를 조절하는 기술이 연구되고 있다. 레이저 패턴 기술은 투광 영역과 광흡수 영역을 정밀하게 제어할 수 있으며 자유로운 투과도 조절이 가능한 반투명 모듈을 제작할 수 있다(그림 4b). 또한 표면에 컬러코팅을 통해 심미성 극대화 할 수 있으며(그림 4c) 유리 기판 대신 유연 기판(Flexible Substrate, ex. Poly Imide, Ultra Thin Glass) 사용시, 모듈을 곡면 구조나 복잡한 건축 형태에 적응시킬 수 있다(그림 4d,e,f). 

4-2. CIGS 태양전지 기반 Parametric Design 

건물일체형태양광발전에서 Parametric Design은 건축 설계와 태양광 발전의 조화를 통해 미적 요소와 에너지 효율을 동시에 달성하려는 시도다. 이를 위해 모듈 위에 다양한 색상을 구현을 통한 건물 외관의 심미적 가치를 높이며, 현대 건축 설계에서 중요한 차별화 요소로 작용한다. 예를 들어, 투광성을 조절하여 외부 채광과 내부 시야를 동시에 확보하면서도 효율적인 전력 생산이 가능하다^[16]. 이러한 설계는 건축가와 엔지니어가 다양한 색상과 형태의 태양전지를 활용하여 디자인을 구현할 수 있게 해주며, 기존의 실리콘 태양전지로는 불가능한 요소를 실현시킨다.
  

5. 추가적인 고효율 방안

CIGS 태양전지의 고효율화는 독립적인 기술 발전뿐 아니라 다른 기술과의 융합을 통해 더욱 가속화되고 있다. 특히, 페로브스카이트(CIGS/PVSK) 탠덤 태양전지^[17]와 양면형(Bifacial) 태양전지^[18]가 대표적인 연구 주제로 떠오르고 있다.

5-1. CIGS 기반 PVSK Tandem

CIGS 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 직렬 연결한 탠덤 구조는 단일 셀로는 도달할 수 없는 높은 효율을 달성할 수 있는 가능성을 보여준다. 페로브스카이트 태양전지는 CIGS의 밴드갭을 보완하여 더 넓은 스펙트럼에서 태양광을 흡수할 수 있으며(그림 5a,b), 이로 인해 탠덤 구조는 이론적으로 30% 이상의 효율을 목표로 할 수 있다[18]. 최근 연구에서는 CIGS 하부 셀 위에 페로브스카이트 상부 셀을 제작하는 공정을 통해 효율을 24%까지 끌어올린 사례가 보고되었다(그림 5c,d,e). 이러한 구조는 고효율 뿐만 아니라 양산 가능성과 공정의 안정성 측면에서도 주목받고 있다.
 

5-2. Bifacial 태양전지

양면형(Bifacial) 태양전지는 투명산화물전극 기반 CIGS 기술과 결합하여 지면에서 반사되는 광을 흡수하여 추가적인 발전량을 확보할 수 있다(그림 6a). CIGS의 높은 광흡수 계수와 양면형 설계를 조합하면, 전면뿐 아니라 후면에서 반사된 태양광까지 활용할 수 있어 효율성이 크게 증가한다^[36]. 실제로, 양면형 CIGS 태양전지는 기존 단면형 태양전지 대비 약 50%의 발전량 증가(1sun 기준)를 보여준 바 있다(그림 6b). 양면형 설계는 BIPV와의 결합에서도 효과적이다. 특히, 유리 건물의 외벽에 적용 시 미적 요소와 에너지 효율 극대화를 동시에 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
 

6. 결론

CIGS 태양전지는 높은 전환 효율과 유연한 설계, 다양한 응용 가능성을 바탕으로 차세대 태양광 기술의 중심에 있다. 알칼리 이온 도핑, GaOx 계면 품질 개선, 레이저 가공 기술 최적화는 셀과 모듈 수준에서 효율을 극대화하며, 생산성을 동시에 개선하고 있다. 특히, BIPV와 같은 응용 분야에서는 투명성과 유연성을 갖춘 반투명  CIGS 태양전지가 심미적이고 기능적인 에너지 솔루션으로 주목받고 있다.

CIGS와 페로브스카이트를 결합한 탠덤 구조와 양면형 설계는 기존 효율의 한계를 넘어 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 이러한 기술은 지속 가능한 재생에너지 발전을 가속화하며, 에너지 전환 시대에서 핵심적인 역할을 할 것으로 전망된다. 동시에, 생산 공정의 안정성과 비용 효율성을 개선하려는 연구는 상용화를 더욱 앞당길 것이다. CIGS 기술은 재생에너지 산업의 혁신을 선도하며 지속 가능한 미래를 위한 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 

 


7. 참고문헌

[1] M. A. Green, "Commercial progress and challenges for photovoltaics," Nature Energy, vol. 1, no. 1, pp. 1-4, 2016. 
[2] A. Richter et al., "Reassessment of the limiting efficiency for crystalline silicon solar cells," IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 3, no. 4, pp. 1184-1191, 2013. 
[3] C. Battaglia et al., "High-efficiency crystalline silicon solar cells: status and perspectives," Energy & Environmental Science, vol. 9, no. 5, pp. 1552-1576, 2016. 
[4] M. Powalla et al., "Advances in cost-efficient thin-film photovoltaics based on Cu(In,Ga)Se₂," Engineering, vol. 3, no. 4, pp. 445-451, 2017. 
[5] T. Tanaka et al., "Development of high-efficiency Cu(In,Ga)Se₂ solar cells with Cd-free buffer layers," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 17, no. 3, pp. 209-218, 2009. 
[6] P. Jackson et al., "Properties of Cu(In,Ga)Se₂ solar cells with new record efficiencies up to 21.7%," Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters, vol. 9, no. 1, pp. 28-31, 2015. 
[7] S. Nishiwaki et al., "Control of Ga distribution in Cu(In,Ga)Se₂ thin film solar cells," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 93, no. 6-7, pp. 1000-1002, 2009. 
[8] K. Wang et al., "Perovskite-CIGS tandem solar cells: From materials to devices," Advanced Functional Materials, vol. 29, no. 47, pp. 1905766, 2019
[9] S. H. Jeong et al., "Enhanced mechanical stability of CIGS solar module with glass/polyimide/indium tin oxide for potentially flexible applications," ACS Applied Energy Materials, vol. 6, pp. 3745–3755, Mar. 2023. DOI: 10.1021/acsaem.2c03957 
[10] J. Werner et al., "Efficient monolithic perovskite/
silicon tandem solar cell," Science, vol. 351, no. 6277, pp. 627-631, 2016. 
[11] H. Lee et al., "Optimization of buffer layers for CIGS solar cells," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 176, pp. 202-210, 2018. 
[12] B. Johnson et al., "Role of alkali doping in Cu(In,Ga)Se₂ solar cells," Nature Communications, vol. 10, no. 1, pp. 1-10, 2019. 
[13] J. K. Larsen et al., "Flexible CIGS solar cells: Technology and status," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 119, pp. 1-9, 2013
[14] M. A. Green et al., "Solar cell efficiency tables (version 65), 2024.
[15] P.-O. Westin et al., "Next generation interconnec
tive laser patterning of CIGS thin film modules," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 95, no. 4, pp. 1062–1068, 2011. 
[16] A. Jeong et al ., "Transparent back-junction control in Cu(In,Ga)Se2 absorber for high-efficiency, color-neutral, and semitransparent solar module," Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 30, no. 7, pp. 713–725, 2022.
[17] M. Jost et al., "Perovskite/CIGS tandem solar cells: From certified 24.2% toward 30% and beyond," ACS Energy Letters, vol. 7, no. 5, pp. 1298–1307, May 2022.
[18] S.-C. Yang et al., "Efficiency boost of bifacial Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells for flexible and tandem applications with silver-assisted low-temperature process," Nature Energy, vol. 7, pp. 970–980, 2022. 
[19] J. H. Jeong, CIGS Research Team, Center for Next-Generation Solar Cells, Division of Sustainable Future Technology, Korea Institute of Science and Technology, Seoul, South Korea. 
[20] J. S. Jang, Team, Department of Industrial Design, College of Design, Kookmin University, Seoul, South Korea.