차세대 태양전지의 최강자는 누구?

Who’s the most Powerful Company in Next Generation of Solar Cell?

불확실성 시대의 차세대 태양전지, 생존 전략을 찾아라!

태양전지의 최후 승자는 누가 될 것인가?

지금까지는 폴리실리콘 기반의 실리콘 웨이퍼 태양전지가 주류를 이루고 있었으나 폴리실리콘 공급 부족과 가격상승에 따른 수익성 악화가 우려되면서 태양전지 기술발전 방향을 놓고 이견이 엇갈리고 있다. 폴리실리콘 수급에서 자유롭고 무엇보다 제조원가가 저렴하다는 이유로 박막 태양전지가 차세대 태양전지로 떠오르면서 90% 이상의 시장을 장악하고 있는 실리콘웨이퍼 태양전지 제조업체 입장에서는 마냥 관망할 수만은 없게 된 것이다. 그러나 박막 태양전지 역시 전기 전환효율과 수명 그리고 신뢰성 향상의 숙제를 안고 있다. 바야흐로 춘추전국시대를 맞고 있는 태양전지 기술발전 현황을 각 세대별로 되짚어본다.

이 주 야, 김 숙 희 기자

태양광 산업계는 지금 폭발적인 시장 성장세 덕분에 치열한 생존경쟁 체제에 돌입하면서 어떤 태양전지로 승부수를 걸어야 할 것인가를 놓고 고심하고 있다.

지금까지는 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하면서 독보적인 입지를 확보하고 있던 실리콘 웨이퍼 태양전지가 최근 몇 년간 폴리실리콘 공급 부족과 가격상승에 따른 수익성 악화가 우려되면서 태양전지 기술발전 방향을 놓고 고민의 늪에 빠진 것이다. 당연히 폴리실리콘 수급에서 비교적 자유롭고 가격이 저렴해 자체적인 경제성을 확보하고 있는 박막 태양전지로 저울질하는 것은 당연한 수순이다. 그러나 박막 태양전지 역시 전기 전환효율과 수명 그리고 신뢰성 향상의 숙제를 안고 있다. 이에 따라 전문가들은 실리콘 태양전지 시장이 5~10년은 더 지속될 것으로 판단하고 있다.

경쟁력 있는 태양전지 기술을 찾아라!

태양전지는 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지, 유기 태양전지 등으로 나눌 수 있는데, 기판의 종류에 따라 실리콘 웨이퍼와 유리 등에 따라 결정질 실리콘과 박막 태양전지로 분류된다.

결정질 실리콘 태양전지는 1세대 태양전지로 통칭되는데, 고가의 웨이퍼 사용으로 효율이 높은 장점과 가격이 비싼 단점을 동시에 안고 있다. 박막 태양전지가 1세대 태양전지의 경제성을 보완하기 위해 저가의 유리 또는 플라스틱 필름을 기판으로 사용하고 여기에 태양전지 재료를 박막으로 제작함으로써, 효율은 떨어지지만 경제성을 크게 향상시킨 2세대 태양전지다. 3세대 태양전지는 2세대 태양전지에 비해 가격은 낮지 않지만 효율을 크게 개선해 경제성을 향상시킨 태양전지를 3세대라 부른다.

결정질 실리콘 태양전지는 다시 실리콘 결정의 종류에 따라 다결정과 단결정으로 나누는데, 단결정 실리콘 태양전지는 결정의 방향이 같아서 전자이동에 걸림돌이 없기 때문에 유전 효율이 좋고 흐린 날에도 비교적 효율적으로 발전할 수 있다는 장점이 있다. 반면 다결정 실리콘 태양전지는 추가 정제과정이 필요 없고, 웨이퍼 사용량도 단결정 타입보다 적기 때문에 단결정 타입에 비해 가격이 30~40% 저렴하지만 변환 효율이 낮은 단점이 있다.

최근에는 태양광 산업의 폭발적인 성장세에 원료공급 부족과 가격상승이 지속되자 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이거나 태양전지의 효율을 높이기 위한 노력이 가시화되고 있다.

이에 따라 기존 업체 및 신규 진출업체들은 박막 태양전지 분야로 사업영역을 다각화하거나 또는 박막 태양전지 시장으로 신규 진출을 시도하고 있고, 실제로 전 세계적으로 수백 MW 용량의 박막 태양전지 생산 공장이 건설 중에 있다.

현재 경쟁력 있는 기술은 비정질 실리콘, CdTe 그리고 CI(G)Se 박막 태양전지이며, 실리콘 품귀 현상으로 이들 제품의 성장은 더욱 두드러지고 있다. 생산규모는 연간 50∼100MW 이상의 증설이 추진 중이며, 실리콘 기판 기술과의 연계가 이루어지고 있는 것으로 예측되고 있다.

비정질 실리콘, CdTe의 경우 모듈의 효율 및 안정성은 이미 결정질 실리콘 제품과의 경쟁이 가능하며, 현재 효율 향상 및 저가 공정 개발을 위한 기술 개발이 진행 중이다.

전문가들은 결정질 실리콘 태양전지는 전체 태양전지 시장의 95%를 차지하고 있으며, 저가 고효율화를 목표로 활발한 연구가 진행되고 있다. 이와 더불어 박막 태양전지 기술개발도 가속도를 밟고 있어 2010년경이면 박막 태양전지가 전체 태양전지 시장의 25%를 점유할 것이라고 내다보고 있다.

결정질 실리콘 태양전지

높은 효율과 긴 수명, 비유독성, 자원의 풍부함 등으로 태양전지 종류 중에서 가장 먼저 상업화되어 대량 보급되고 있는 결정질 실리콘은 물리적 특성면에서 기존의 실리콘 반도체 인프라를 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

실험실 수준의 효율은 20% 이상을 나타내고 있으며, 양산용 셀의 효율은 평균적으로 15~17%를 보이고 있다. 실리콘 태양전지의 이론적 최대 효율은 약 29% 정도이며, 이미 실험실 수준에서는 이 한계치에 가까운 효율이 보고된 바 있다.

향후 20년간 시장비중이 50% 이상을 상회할 것으로 예상되는 결정질 실리콘은 2006년 전체 태양전지 산업 생산량의 90% 이상을 차지한 바 있다.

국내에서는 KPE가 30MW 결정질 실리콘 태양전지를 양산하고 있고, 2013년 300MW로 증설을 추진하고 있다. 또한 미리넷솔라가 2008년부터 30MW의 양산을 실시할 예정이고, 현대중공업도 현재의 30MW 양산에 이어 2009년 330MW 양산을 위한 제2공장 증설공사가 한창 진행 중이다.

박막 태양전지

박막 태양전지는 유리, 스테인레스 또는 플라스틱과 같은 저가의 기판에 감광성 물질의 얇은 막을 수 마이크론 두께로 씌워 만들어진다. 재료에 의존적인 결정질 실리콘 전지에 비해 생산단가가 낮고, 자동화를 통해 모듈 공정까지 일관화 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있지만 대체로 낮은 효율과 모듈의 수명에 관한 실증 연구가 부족하다는 단점을 가지고 있다.

비정질 실리콘, CIS 또는 CIGS 그리고 CdTe의 세 가지 종류의 박막모듈이 현재 상용화되어 있다. 세계 수준의 셀 효율은 현재 18.4%(CIGS의 경우)에 도달하고 있으며, 현재 상용화된 모듈은 약 10% 수준의 안정화 효율을 보이고 있다. 이러한 효율 수준은 2015년에는 12%에 도달할 것으로 예상된다. 국내에서는 유일하게 한국철강이 상용화에 성공해 충북 증평에서 20MW 규모의 박막 태양전지를 생산하고 있다.

CIGS 박막 태양전지는 1980년대 말부터는 저가 고효율의 지상발전용 박막 태양전지를 목표로 선진국에서 집중적으로 기술개발이 추진되고 있다. 특히 1980년대 미국 Boeing사가 기존의 단결정 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 우주용의 경량 고효율 태양전지로 처음 연구되었을 만큼 효율이 높고 안정성이 우수하다. 이 기술을 오랫동안 개발해온 호주, 일본, 유럽, 미국의 선도 기업들은 양산화 개발에 성공했다.

우리나라는 1990년대 중반부터 연구가 진행된 CIS/CIGS 태양전지의 경우 한국에너지기술연구원과 한국과학기술원의 공동연구를 통해 소면적 태양전지에서 효율 17.6%를 달성한 바 있다.

유기 태양전지

유기 태양전지는 크게 염료감응형 태양전지와 유기분자형 태양전지로 나뉜다.

나노기술과 광합성 원리를 이용한 염료감응 태양전지는 1991년 스위스 Gratzel 그룹에서 보고한 이후 10% 이상의 높은 에너지 변환 효율과 함께 매우 저렴한 제조단가로 인해 차세대 태양전지로 부각되고 있다. 염료감응형 태양전지는 10% 이상의 고효율과 함께 제조단가가 실리콘 전지의 약 1/5 가격으로 매우 저렴한 것이 특징.

특히 염료감응 태양전지는 투명하게 만들 수 있으며, 다양한 색상의 염료를 이용할 경우 컬러 태양전지가 가능, 수명도 15년 이상으로 안정적이다. 반면에 대면적화에 대한 연구가 부족하고 대체로 낮은 효율과 수명에 대한 실증연구가 부족한 단점을 가지고 있다.

국내에선 지난해 9월 이건창호가 가로·세로 30㎝ 크기의 염료감응 태양전지 시제품을 개발했으며, 동진쎄미켐도 지난해 10월 한국과학기술연구원(KIST)과 ‘염료감응 태양전지 셀 제조기술’의 이전계약을 체결, 2009년 5MW의 태양전지 모듈 시험양산체제를 구축하고 2010년 25MW의 양산설비를 추가하겠다는 계획을 발표했다. 이 외 지난 8월 한국전자통신연구원(ETRI)으로부터 ‘플렉서블 염료감응 태양전지 기술’을 이전받은 상보·우리정도와 손잡고 우리솔라를 설립, 염료감응 태양전지를 개발 중인 프리샛도 업계의 관심을 끌고 있다.

1990년대 중반부터 주로 연구되기 시작한 유기분자형 태양전지는 전자를 받을 수 있는 유기물질과 정공을 받을 수 있는 유기물질이 적층 또는 블렌딩 형태로 구성된 태양전지로서 약 3%에서 많게는 6% 수준까지 변환효율이 가능한 기술이며, 최근 유기 태양전지를 적층해 셀 단위에서 6.5%의 효율이 보고되기도 했었다. 유기분자 태양전지는 광전자를 발생하는 활성층이 매우 얇기 때문에 플라스틱 기판 등에 적용해 플렉시블 형태가 용이한 기술이다.

집광형 태양전지

집광형 태양전지(Concentrator Cell)는 Fresnel 렌즈 또는 Mirror 등과 같은 집광기를 사용해 넓은 면적의 빛을 수 mm2~수 cm2 크기의 태양전지에 집중시켜 태양전지 시스템 가격을 낮추는 방식이다. 대개 400~1,250배 정도로 집광하는 시스템이 사용된다. 집광형 시스템에 장착되는 태양전지는 기존 인공위성용 태양전지로 사용되고 있는 III-V 화합물 반도체 다중접합을 이용한 초고효율(30~40%) 태양전지가 주로 사용되고 있다.

III-V 화합물 반도체 다중접합 태양전지는 현재 고 신뢰성을 요구하는 인공위성용 태양전지로 사용되고 있으며, 현존하는 태양전지 가운데 가장 높은 효율을 매년 갱신하고 있다.

우리나라는 KANC(나노소자특화팹센터), KIST(한국과학기술원), ETRI(한국전자통신연구원), 아주대학교, KOPTI(한국광기술원) 등에서 연구 중이다.

반도체, 디스플레이, 나노 기술로 세계적 경쟁력을 확보하라!

이미 전 세계 태양전지 생산량은 3.4GW를 넘어섰으며, 2010년까지 그 생산규모가 10~15GW에 도달할 것으로 예측되고 있다. 아직까지는 대부분 1세대 결정형 실리콘 태양전지가 세계 10대 생산 업체 자리를 차지하고 있다. 박막 태양전지 생산 업체로는 유일하게 미국의 퍼스트 솔라가 CdTe 태양전지 207MW를 생산해 4위를 차지했다.

그러나 2008년의 미국의 글로벌 솔라 에너지가 CIGS 태양전지 모듈을 출시했으며, 2009년부터는 많은 CIGS 태양전지 모듈 상용 제품이 시장에 나타날 것으로 예상하고 있다. 특히 2010년을 기점으로 박막 태양광발전 시장이 본격적으로 형성되기 시작해 전체 시장에서 박막 태양전지 시장이 차지하는 비중이 2020년 36%에서 2030년 40%로 성장할 것으로 전망되고 있다.

바야흐로 녹색성장 시대를 맞이해 급격히 팽창하고 있는 태양전지 시장에서 우리나라가 지금까지 축적해온 반도체 기술, 디스플레이 기술, 나노 기술은 충분히 세계적 경쟁력이 있는 차세대 태양전지를 만들 수 있는 희망을 제시하고 있다.

SOLAR TODAY 이주야 편집팀장 / Tel. 02-719-6931 / E-mail. st@infothe.com