고갈자원인 화석 연료에 대한 의존성이 높은 현대사회에서 최근 이상기후 현상 및 지구온난화 문제가 전 세계적으로 크게 대두되면서 친환경-신재생 에너지원으로의 태양광 발전에 대한 관심이 최고조에 이르고 있다. 차기 미국 대통령으로 당선이 유력시 되고 있는 조 바이든 미국 대통령 후보가 ‘2050 탄소중립’을 목표로 내세우면서, 2조 달러를 태양광 등 친환경 에너지 인프라를 구축하는데 투입하겠다고 공약함에 따라, 국내에서도 저탄소 녹색 경제 체제로의 전환을 위한 ‘그린 뉴딜’에 8조원을 추가 지원하기로 하는 등 향후 태양광 시장은 국내외적으로 더욱 확대될 것으로 예상된다.¹⁾ 태양광 발전은 지속가능한 친환경 에너지로 무한한 태양광을 에너지원으로 하며, 높은 신뢰성을 갖는다는 장점이 있다. 그러나 태양전지는 습기에 의해서 열화되어 효율이 감소하는 문제가 있다. 특히, 태양전지 후면의 백시트를 통해 수분이 침투할 경우 투과된 수분이 봉지재로 사용되는 EVA (Ethylene Vinyl Acetate)로 침투하여 전기 전도도를 증가시키고, 결국 누설 전류가 발생하여 효율이 감소하게 된다.²⁾ 이러한 문제는 고온, 다습한 가혹한 환경에 노출될 경우 가속되며, 투습에 의한 EVA의 부식문제 역시 피할 수 없다. 태양전지 봉지재를 저항성이 높은 high-ρ EVA나 폴리올레핀 (POE, Polyolefin elastomer)으로 대체하면 투습에 의한 효율 감소를 방 지할 수 있다고 알려져 있으나, 비용 증가가 수반되고 POE의 경우 EVA 비해 융점이 높아 추가적으로 라미네이션 공정 최적화가 필요한 한계가 있다.^3–5) 투습도를 감소시키기 위한 다른 방법으로는 이를 방지할 수 있는 barrier 층을 삽입하는 것으로 SnO _x, SiN _x, TiO₂, Al₂ O₃와 같은 물질들이 우수한 투습 방지 특성을 나타냈다고 보고되었다. 그 중에서도 Al₂ O₃는 공정최적화가 잘 되어있고 저렴하며, 우수한 투습 방지 특성을 지닌 것으로 잘 알려져 있으나, 고온 고습의 가혹한 환경에 노출될 경우 Fig. 1과 같이 가수분해를 통해 결정질의 boehmite 로 상전이 하면서 부피가 팽창하고, 결정 내 입계를 통해 수분이 침투될 수 있다고 보고되었다.^6,7) 따라서 투습 방지막으로 Al₂ O₃를 사용하기 위해서 또 다른 산화물이나 유기층과 함께 다층구조를 만듦으로써 Al₂ O₃의 부식 저항성을 향상시킨 연구가 진행되었다.^8,9) 그 중 Silane 기반의 유무기 하이브리드 폴리머(silamer)와 Al₂ O₃를 다층구조로 적용하여 환경 안정성을 향상시키고 두 층의 시너지를 통해 투습 방지 특성을 향상시킨 연구 결과가 보고되기도 하였다.⁸⁾ 본 연구에서는 태양전지 후면 백시트에 silamer/Al₂ O₃/silamer 구조의 유무기 하이브리드 코팅을 적용하여 투습도를 측정하고 비교함으로써 유기층인 silamer의 효과를 확인하였다. 그 결과 약 60 nm 두께의 비정질 Al₂ O₃와 3μm 두께의 silamer 층을 반복 적용하는 경우 투습 방지 효과가 매우 향상되었다.

국내 태양광 발전소에 설치된 PERC 태양전지 모듈은 목표로 하는 전압 시스템을 구성하기 위해 직렬로 연결되며, 태양광 발전 시스템의 발전 전압이 직렬 연결된 모듈의 개수에 비례하여 모듈 프레임과 태양전지 사이에 고전압이 인가되고 누설 전류가 발생한다.² 이처럼 인가된 고전압에 의한 태양전지의 효율 및 최대 출력의 급격한 저하를 Potential-Induced degradation (PID)라고 한다. PID는 고온 다습한 환경일수록 빈번하게 발생하고, 태양 전지 후면의 수분 침투에 의해 EVA의 전 기 전도도 상승을 유발하여 누설 전류를 증가시킨다. 습도 증가에 따른 수분 침투는 주로 태양전지 모듈 하단부의 백시트를 통해 이루어지며, 높은 온도에서 투과된 수분은 EVA를 부식시켜 추가적인 태양전지 모듈 성능 저하를 발생시킨다.^10–12) 수분이 침투할 경우 Fig. 2와 같이 EVA와 백시트 사이의 계면에서 박리가 발생하고, 이는 태양전지 모듈 모서리에서 가장 많이 일어난다. 박리는 더 많은 양의 수분 침투를 허용하며, 직렬저항의 증가로 이어져 결국 출력 저하를 유발한다. 앞서 언급했듯이, 습도와 온도 상승은 EVA의 화학적 분해를 일으키며 이때 아세트산과 더불어 기타 휘발성 가스가 생성된다.^13,14) EVA와 후면 백시트 사이에 생성된 아세트산은 쉽게 빠져나가지 못하고 태양전지 모듈 내에서 여러 가지 열화 반응의 원인으로 작용한다. 먼저, 아세트산은 EVA의 접착력 손실에 의한 박리를 유도하고 EVA의 분해 반응을 향상시키는 자가 촉매 작용을 한다.^13,14) 둘째로, 금속 물질 및 금속 배선 연결 부위를 부식시킴으로써 직렬저항의 증가를 유발하고 태양전지 모듈의 효율이 감소한다.¹⁴⁾ 이처럼 수분은 태양전지 모듈의 출력 및 효율 저하를 유발하는 요인으로 작용하며, 따라서 태양전지의 장기 신뢰성을 확보하기 위해 투습을 방지하기 위한 다양한 연구가 진행되었다.

본 연구에서는 silamer와 Al₂ O₃를 유무기 하이브리드 코팅하고, 태양전지 백시트에 적용했을 때 유기층인 silamer의 효과와 투습 방지 특성을 분석해보고자 하였다. PE/PET/PET 구조의 일반적인 태양전지용 백시트(두께 290 μm)를 5 cm² 크기로 잘라 silamer와 Al₂ O₃를 유무기 하이브리드 코팅하여 투습도를 분석하였다. Al₂ O₃는 thermal atomic layer deposition (thermal ALD) 장비를 통해 백시트 기판에 증착되었으며, 증착조건은 Table 1.에 명시하였다. 85 ℃ 이상의 온도에서는 PET 기판의 부식 발생한다고 알려져 있어 모든 공정은 그보다 낮은 70 ℃에서 진행하였다.¹¹⁾ Precursor와 reactant는 각각 Trimethylaluminum (TMA)와 H₂ O 를 사용하였고, TMA와 reactant 노출시간은 0.2초이며, 소스 노출 후 남은 잔여물들을 배출하기 위해 아르곤 가스를 80 scccm 흘려주어 30초간 퍼지하였다. 이 때 압력은 0.4 torr였고, 500 cycle 진행하여 약 60 nm 두께의 Al₂ O₃층을 얻었다. 전체 샘플 제작 공정은 Fig. 4에 명시하였다. 유기층으로는 silamer (TB-30, Intech Nano-Materials)를 사용하였으며, 스핀코팅 방법으로 코팅하였다. 코팅 조건은 5000 rpm으로 30초간 가속한 후 3초간 유지하였다. 코팅된 silamer 층은 진공 상태의 ALD 챔버에서 온도를 70 ℃로 올려준 후 30분간 경화를 진행하였다.

증착된 구조의 표면 및 단면 이미지 분석을 위해 optical microscope (Metallurgical microscope me-33, DAEMYUNG)와, scanning electron microscope (JSM-7610F PLUS, JEOL) 장비를 사용하였으며 투습도는 MOCON (PERMATRAN-W Model 3/33) 장비를 이용해 37.8 ℃/100% RH 조건에서 72시간 동안 측정하였다.

제조된 샘플의 모식도를 Fig. 5에 나타내었다. 첫 번째 silamer층은 Al₂ O₃ 층의 증착을 돕기 위해 표면을 평탄화해주는 역할을 한다. 두 번째 층은 실질적으로 투습 방지역할을 수행하는 Al₂ O₃이며, 마지막 3번째 silamer 층은 경화과정 동안 Al₂O₃층과 반응을 통해 Al-Si-O 결합을 형성하고 Al₂ O₃의 pin-hole 결함을 제거하며 환경 안정성을 향상시킨다고 보고되었다. ⁸⁾

Silamer의 평탄화 효과를 확인하기 위해 광학현미경 이미지를 분석하였다. Fig. 6 (a), (b)에 보이듯 기존의 백시트의 표면에는 매우 많은 스크래치 및 입자들이 존재하며, silamer 15%용액을 코팅했을 때, 평탄화 효과는 있었지만, 큰 스크래치와 입자들을 덮지 못했다. 반면 더 농도가 높은 silamer 30%용액을 사용했을 때는 Fig. 6 (c)에 보이는 바와 같이 표면의 큰 스크래치 까지 덮어 평탄화됨을 확인할 수 있었다. 더 자세한 분석을 위해 주사전자현미경을 이용해 분석한 표면 이미지를 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7 (a), (b)는 실리콘 웨이퍼 위에 silamer를 코팅했을 때의 단면 이미지이다. silamer 15% 용액을 코팅했을 경우 두께는 약 880 nm 였으며, Fig. 3 (b)로 미루어 볼 때 이 두께는 거친 백시트의 표면을 평탄화 하기에는 부족한 두께로 생각된다. 반면 표면의 큰 스크래치까지 평탄화할 수 있었던 silamer 30% 용액을 사용했을 때의 두께는 약 3.25 μm 으로 측정되었다. Fig. 7 (c)-(e)는 백시트의 표면 이미지이다. 마찬가지로 기존 백시트의 표면에는 매우 많은 스크래치가 존재했으며, 평탄화하지 않은 상태에서 그대로 Al₂ O₃를 증착하였을 때에는 표면의 스크래치를 따라 증착된 Al₂ O₃층에 크랙이 발생함을 알 수 있었다. 반면 백시트 위에 silamer를 코팅하고 Al₂ O₃를 증착하였을 경우 표면에 스크래치를 발견할 수 없었으며, 이를 통해 silamer층이 효과적으로 백시트를 평탄화했음을 확인할 수 있었다.

위와 같은 방법으로 유무기 hybrid coating 층으로 보호된 백시트의 WVTR 값으로부터 투습도를 평가하였다. MOCON 장비를 이용해 측정하였으며, 원리는 두 챔버 사이에 샘플을 고정시키고, 한 챔버에는 수분을 다른 챔버에는 질소를 흘려주어 샘플을 투과한 수분이 질소 속에 포함된 농도를 측정하는 방식이다. 측정은 37.8 ℃의 온도와 100% 상대습도 조건에서 72시간 동안 진행하였으며, 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 코팅을 하지 않은 기존 백시트의 경우 WVTR은 5.2로 측정되었고, silamer만 올린 샘플의 경우 WVTR 값은 약 4.7로 투습도에 큰 차이를 보이지 않았으며, 이를 통해 silamer는 투습도에 큰 영향을 주지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 또 Al₂ O₃/silamer 샘플과 silamer/Al₂ O₃/silamer 샘플의 경우 WVTR 값은 각각 3.7과 0.36으로 후자의 경우가 더 낮은 투습도를 나타내었는데, 이는 경화과정 중에 Al₂ O₃와 silamer 사이에 Al-Si-O 결합이 형성되어 pin-hole 결함이 제거되었기 때문으로 생각된다. Silamer와 Al₂ O₃를 유무기 하이브리드 코팅함으로써 투습도를 낮출 수 있었지만, 여전히 상당히 높은 투습도 값을 나타내었다. 이는 향후 추가연구를 통해 증착조건 및 두께를 최적화한다면, 투습도를 더 감소시킬 수 있을 것으로 생각되며, 또 고온, 다습한 환경에서 투습도 분석을 진행할 경우 silamer의 환경 안정성 향상 효과까지 분석할 수 있을 것으로 생각되어 투습도 감소에 더 효과적일 것으로 기대한다.

본 연구에서는 투습이 태양전지에 미치는 영향과, 투습도를 낮출 수 있는 다양한 투습 방지막에 대해 알아보고 실제로 적용해 보았다. 다양한 투습 방지막 중에서 Al₂ O₃는 저렴하고 공정최적화가 잘되어 있으며, 우수한 투습 방지 특성을 지닌 것으로 알려져 있으나, 고온 다습한 환경에서 상전이가 발생하여 투습 방지 특성을 잃는 문제가 발생한다. 따라서 Al₂ O₃의 부식을 막기 위해 silane 기반의 폴리머인 silamer를 이용해 유무기 하이브리드 코팅을 적용하였다. Silamer로 인한 평탄화 효과가 입증되었고, silamer/Al₂ O₃/silamer 3중층 구조에서 WVTR이 0.36으로 가장 낮았다. 상부 silamer 층의 경화 과정 중에 Al-Si-O 결합이 형성되어 pin-hole 결함이 제거되었기 때문으로 생각된다. 본 연구에서 제조된 유무기 하이브리드 투습 방지막의 WVTR의 경우 상용 결정질 실리콘 태양전지 모듈에 적용되기에 충분한 수치이지만, 향후 추가적인 공정 최적화가 진행된다면 페로브스카이트 태양전지 등 기타 다른 전자소자의 투습 방지막으로서도 활용될 수 있을 것으로 기대한다.