[인더스트리뉴스 최용구 기자] 태양광을 통해 오는 2050년에서 2060년 사이 완전한 탈탄소를 이루려면 총 6만3,400GW의 PV를 설치해야 한다는 관측이 나왔다.
최근 Solar RRL 저널에 게재된 논문에 따르면, 미국 NREL(National Renewable Energy Laboratory) 연구원들은 6만GW 이상의 PV를 공급할 수 있는 방안을 분석했다.
이들은 ‘탠덤 기술’ 등 핵심 PV 기법을 바탕으로 실행 가능한 경로를 모색했다.
NREL 연구진은 “파괴적 기술(disruptive technology)을 통해 생산 가능한 PV 규모가 크게 확대될 것”이라며, “연간 생산 가능 규모가 향후 10년에서 15년 사이 2.9TW에서 3.7TW까지 확장될 수 있고 목표 비용은 6000억 달러에서 6600억 달러로 늘어날 것”이라고 밝혔다.
해당 파괴적 기술에는 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 기반 PV와 탠덤 기술이 속한다. 탠덤 기술은 실리콘 태양광 셀 위에 ‘페로브스카이트(Perovskite)’ 박막 셀을 결합하는 기법이다.
페로브스카이트 태양전지는 차세대 품목으로 주목받고 있는 데, 기존 실리콘 태양전지와 달리 용액 공정이 간단하다. 제조 과정의 효율을 높이면서 가볍고 유연한 태양전지를 구현할 수 있다.
NREL 연구진은 “페로브스카이트는 장기 내구성에 문제가 있지만 롤투롤 방식으로 빠르고 저렴하게 인쇄할 수 있어 제조에 유리하다”고 기대했다. 연구진은 또 “카드뮴 텔루라이드 PV 쪽에선 First Solar와 Toledo Solar 등 기업들이 미국 시장의 16%를 점유하는 등 강세에 있다”고도 전했다.
First Solar는 지난해 8월 오하이오주에서 CdTe 태양전지 제조 공장을 착공했다. First Solar는 2023년 완공 예정인 해당 사업에 약 6억8,000만달러(한화 9,708억원) 투자한 것으로 알려졌다.
미국은 CdTe 태양전지 활성화를 위해 지난해 약 2,000만달러(한화 약 285억4,400만원) 규모의 ‘카드뮴 텔루라이드 컨소시엄’을 출범시켰다. ‘카드뮴’과 ‘텔루륨’으로 만든 CdTe 태양전지는 작년 기준 미국 태양광 시장의 약 20%를 점유 중이다. 상대적으로 낮은 발전비용, 짧은 에너지 회수시간 등이 장점이다. 업계는 탄소집약도를 낮출 수 있는 대안으로 보고 있다.
지난 4월 NREL과 First Solar는 CFL(Cracked Film Lithography)을 사용해 전력 밀도가 20.3mW/cm2인 양면 CdTe 태양전지를 공동제작했다. 양면의 전력 밀도를 높이기 위해 협업하는 프로젝트다.
텔루늄 확보는 변수 요인이다. 미국은 텔루늄 수요의 대부분(약 95%)을 수입으로 충당한다. 미국 에너지부는 PV뿐만 아니라 배터리 등 응용 분야로의 활용 가치가 높은 텔루늄 확보에 촉각을 세우고 있다.
NREL 화학·나노과학센터 Jao van de Lagemaat 책임은 이번 연구에서 “세계 에너지 경제를 완전히 탈탄소화하는 데 필요한 6만3,400GW 규모의 PV를 생산하는 능력에 도달할 실행 가능한 경로가 있다”면서도, “신기술이 적시에 상용화됨으로써 비용을 크게 낮추는 것이 변수”라고 덧붙였다.
그는 필요한 탠덤 장치와 미니모듈의 효율성은 최대 31.25% 수준에 이르렀다고 평가했다. 아울러 TW 수준의 대용량까지 규모화시키는 연구개발이 추가로 필요함을 강조했다.
NREL 조사에 따르면 연구에서 언급된 6만3,400GW는 현재까지 설치량의 60배 이상에 달한다. 제조 역량을 위한 투자보호, PV 모듈의 수명 연장 등이 관건으로 거론된다.
van de Lagemaat 책임은 “우리가 6만3,400GW 확보를 가능하다고 말하는 것은 투자자들이 좌초된 생산 자산을 피함으로서 보호받을 수 있다는 가정 하에 나왔다”라며, “파괴적 기술 기반의 지속가능한 제조는 자본 비용을 낮추는 역할을 할 것”이라고 말했다.
이번 연구 논문은 ‘세계적 탈탄소화를 위한 광전지 배치 시나리오, 파괴적 기술의 역할 (Photovoltaic Deployment Scenarios Toward Global Decarbonization, Role of Disruptive Technologies)’이라는 제목으로 게재됐다.
한편, 한국화학연구원은 국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발하고 상용화에 나섰다고 최근 밝혔다.
연구원에 따르면 에너지소재연구센터 전남중 박사와 KAIST 서장원 교수는 용해성을 최대 수준으로 높인 이온성 액체 ‘도펀트(dopant)’를 개발했다. 이들 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 전기전도도를 향상시키는 도펀트의 성질을 극대화시켰다.
개발된 도펀트를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 200㎠ 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 보였다. 이 수치는 활성면적 기준에선 19.91%까지 높아졌다.
연구진은 “현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적에서 세계 최고 효율 및 장기 안정성을 확보할 수 있다”라며, “저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 상용화에 속도가 붙을 것”이라고 전망했다.
