박막 실리콘 태양전지 시장 전망

태양전지 모듈은 상온에서의 안정화 효율을 기준으로 가격이 책정돼 판매되기 때문에 벌크형 실리콘 모듈에 비해서 박막 실리콘 모듈은 가격대 성능비가 우수하다. 따라서 박막 실리콘 모듈은 벌크형 결정 실리콘 모듈의 대안으로 떠오르고 있다.

명 승 엽 한국철강 GETWATT 생산팀장

최근에 고유가와 지구온난화로 인해 에너지가 향후 인류의 50년을 좌우할 가장 큰 문제로 대두되고 있으며 제3차 산업혁명이라고 일컬어지고 있다. 이산화탄소에 의한 온실효과로 초래되는 온도 상승으로 인해 전염병이 창궐하고 지상의 대부분의 생명체가 멸종한다는 지구온난화 보고서는 인류재앙의 경종을 울리며 포스트 교토의정서 조기발의를 촉구하고 있다. 이에 신재생에너지 기술 중 지구의 모든 에너지의 근원인 태양광을 이용하는 태양광발전은 무한한 청정에너지로 각광받고 있으며 선진국을 중심으로 기술과 시장을 선점하기 위해 정부차원에서 육성하고 있다. 그림 1에 나와 있듯이(1), 지난 10년간 세계 태양광 모듈시장은 연평균 40%씩 급속도로 성장했으며 2012년까지도 성장추세는 꺾이지 않을 것으로 예상된다. 태양광 모듈 시장의 90%는 효율이 12~14% 정도로 높은 단결정(Single Crystalline) 실리콘이나 다결정(Poly crystalline or Multicrystalline) 실리콘 등의 벌크(Bulk)형 결정질 실리콘 모듈이 차지하고 있으나 원재료인 실리콘 웨이퍼의 전 세계적인 품귀현상으로 제조단가가 비싸서 성장의 걸림돌이 되고 있다.

그림 1. 년도별 태양광 모듈 시장 규모 및 성장률 변화

자료 : EPIA-Global Market Outlook for Photovoltaics until 2012 Facing a Sunny Future

반면, 코팅기술을 이용해 대면적 기판에 증착하는 박막(Thin-Film) 실리콘, CI(G)S, CdTe 태양전지와 같은 박막 태양전지들이 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 박막 모듈은 매우 적은 원재료를 소비하고, 유리 및 플라스틱 등의 저가 기판에 저온 대면적 증착이 가능해 저가양산화에 유리하다. 레이저 기술을 이용해 수려한 투광형 건자재일체형(Building Integrated Photovoltaic; BIPV) 모듈을 제작할 수 있는 장점도 있다. 모든 태양전지는 온도가 올라가면 효율이 떨어지는 현상이 있는데, 벌크형 실리콘 모듈은 온도계수가 -0.5%/K로 상당히 크다. 여름철에는 모듈의 온도가 쉽게 60~80℃까지 올라가기 때문에 발전성능 저하가 심각한 문제이다.

반면, 박막 실리콘 모듈의 비정질 실리콘(Amorphous Silicon; a-Si:H)의 경우 -0.2%/K로 매우 낮다. 또한, 빛의 세기가 약한 산란광에서도 동작해 평균 발전시간이 증가하므로 외부환경에서 우수한 발전성능을 보이고 있다. 태양전지 모듈은 상온에서의 안정화 효율을 기준으로 가격이 책정돼($/Wp) 판매되기 때문에 벌크형 실리콘 모듈에 비해서 박막 실리콘 모듈은 가격대 성능비가 우수하다. 따라서 박막 실리콘 모듈은 벌크형 결정 실리콘 모듈의 대안으로 떠오르고 있다.

이러한 박막 태양전지의 잠재력은 2002년부터 2008년까지 연평균 성장률 60%, 특히 2008년에는 100%라는 폭발적인 시장 성장률을 가져왔다. 2008년 기준으로 150여개의 박막 회사가 태양광 사업에 뛰어들었고 40여개 사는 이미 양산 중이고 나머지 회사는 2009년에 양산을 개시할 것으로 예상된다(1). 많은 회사들이 새로운 생산규모 확장이나 R&D를 준비 중이다.

그림 2. 글로벌 태양광 시장의 지역별 분포 변화

자료 : EPIA -Global Market Outlook for Photovoltaics until 2012 Facing a Sunny Future

태양광 발전단가를 줄여서 기존의 화석에너지를 이용한 발전단가와 견줄 수 있는 그리드 패러티(Grid Parity)를 달성하려면 제조단가를 1$/Wp이하로 낮춰야 한다. 태양전지 모듈의 고효율화와 더불어 저가화가 반드시 이뤄져야 한다. 현재 고효율화를 위해 박막 태양전지 양산기술은 단일접합(Single-Junction)에서 이중접합(Double-Junction) 탄뎀(Tandem) 기술로 트렌드가 옮겨가고 있다. 현재 6~12% 정도의 양산 효율에서 단기적으로는 10~15%, 장기적으로는 20% 이상으로 효율향상이 이뤄질 것으로 예상된다. 더불어 저가화를 위해 폴리머, 염료감응 및 유기 태양전지가 연구되고 있다. 20년 이상의 모듈 장기 신뢰성을 보장하고 소재와 특성을 규격화하는 인증제도의 활성화 또한 태양광발전의 경쟁력을 향상하고 단가를 낮추는데 있어서 핵심 사항이다.

2008년 말 미국발 신용위기로 초래된 글로벌 금융위기는 유동성 경색을 파생해 전 산업에 걸쳐서 신규 설비 투자의 위축을 가져올 것이다. 하지만, 박막 태양전지 사업의 경우에는 기술적으로 유사한 디스플레이 사업이 이미 2008년을 기점으로 성장세가 꺾이고 성숙기로 들어감에 따라서 잉여자본이 박막 태양전지 양산 투자로 흘러들어올 수 있는 좋은 기회를 맞이하고 있다. 태양광 모듈 시장이 2008년에 PDP 시장을 앞질렀고, 2012년이면 LCD 시장을 능가할 것으로 예상된다(2).

일본의 산업재편을 통한 발 빠른 대처에 주목해야 한다. 샤프(Sharp)의 경우는 디스플레이와 벌크형 결정 실리콘 태양전지 투자를 줄이고 오사카에 1GW 생산 규모의 삼중접합 박막 실리콘 태양전지 양산 라인을 구축하고 있으며 2008년 말 부터는 마이크로몰프(Micromorph) 이중접합 태양전지를 양산하고 있다. PDP 시장 점유율 1위를 차지하고 있던 마쯔시다는 산요전기를 인수헤 태양전지 사업에 본격적으로 뛰어들 태세이다.

그림 3. GETWATT 박막 실리콘 모듈이 설치된 익산의 30kW 태양광발전소

2010년까지 박막 태양전지 연간 생산 규모는 유럽, 미국, 동북아시아를 중심으로 2010년까지 10GW, 2012년까지 16GW에 이르러서, 2010년에 이미 전체 모듈 생산의 20% 이상을 차지할 것으로 예상된다. 그림 2에 나타나 있듯이, 현재는 독일과 스페인 등의 유럽에 주로 태양전지 시장이 형성되어 있다(1). 하지만, 오바마 대통령의 친환경 행정부의 의지가 반영되면 미국이 이머징(Emerging) 시장이 되어 2010년부터는 독일 다음으로 세계 2위의 시장을 형성할 것으로 예상되고 한국, 중국, 일본, 대만을 중심으로 한 동북아시아 시장도 급속히 성장할 것으로 예상된다.

국내 박막 태양전지 시장의 경우는 박막 실리콘 태양전지의 주도하에 2013년까지 전체 모듈시장의 30% 이상으로 급성장할 것으로 예상된다(2). 이는 LCD 기술 세계 제일을 자랑하는 한국이 박막 실리콘 태양전지 기술 발전의 커다란 잠재력을 보유하고 정부에서 녹색 뉴딜정책의 일환으로 박막 태양전지를 차세대 태양전지 기술로 중점 육성하려는 R&D 의지가 강하기 때문이다. 하지만, 탄뎀 기술에 대한 특허 리스크와 소재의 해외 의존성이 높다는 것이 가장 큰 장애이다. 이를 극복하기 위해서는 기술혁신과 소재 국산화를 위한 체계적인 마스터 플랜이 설정돼 가동돼야 할 것이다.

참고문헌

(1) EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics until 2012 Facing a Sunny Future (2008)

(2) 디스플레이뱅크 PV Industry, Market Status & Outlook in South Korea

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

ExpoSolar 다른기사 보기