태양광발전 비용절감 위한 고신뢰성 기술개발 추진

태양광발전 비용 2030년에 7엔, 5년간 기술개발 프로젝트 시동

태양전지 성능 및 신뢰성 양립 도모

NEDO를 중심으로 추진하는 태양광발전 기술개발이 새로운 국면에 들어간다. 태양광발전 비용저감을 위한 고성능, 고신뢰성 기술개발 프로젝트를 2015~2019년 5개년 계획으로 추진하는데, 초년도의 실시체제와 개발항목이 밝혀졌다. 샤프 및 파나소닉을 비롯한 일본 국내 태양전지 제조사가 참여하고, 도쿄대학 및 산업기술종합연구소 등 주요 대학, 연구기관도 참여해 태양전지 성능과 신뢰성 향상을 목표로 하고 있다. 이는 태양광발전 비용을 2020년까지 전력 1kWh당 14엔, 2030년에는 화력 및 원자력보다 낮은 수준인 7엔까지 저감하는 것이 목표다.

신프로젝트의 초년도인 2015년도는 5개의 연구개발 항목을 설정했는데, 그중에서 최대 과제인 태양전지 성능과 신뢰성의 양립을 도모하는 테마가 2개 있다. 첫 째는 현재 태양전지에서 주류인 결정질실리콘 타입의 제조비용을 저감하는 기술개발로, 교세라 및 샤프 등 8개 제조사가 연대해 ‘첨단 복합 기술형 실리콘 태양전지’를 개발한다.

이 분야의 대표적인 예가 헤테로 접합 백컨텍트형 태양전지로, 물성이 다른 결정질실리콘과 아몰퍼스(비결정) 실리콘을 조합해 태양광에너지를 전기에너지로 변환함으로써 효율을 높인다. 그리고 태양전지의 전극을 뒷면에 집약하는 백컨텍트형으로 해 수광면을 넓게 확보하는 구조로 태양광에너지를 많이 수집할 수 있다. 또 하나의 테마는 결정질실리콘보다 변환효율을 높일 수 있는 화합물 형태의 기술개발이다. 규소를 주체로 만든 실리콘 타입과 달리 복수의 원소를 조합해 태양광의 폭넓은 파장을 흡수할 수 있는 점이 화합물 타입의 특징이다. 신프로젝트에서는 두 개의 그룹으로 나눠 화합물 타입의 기술개발을 추진하게 된다.

화합물 타입의 태양전지는 원소의 특성으로 조합을 결정한다. 제1그룹은 갈륨 등 3족에 포함된 원소와 비소 등의 5족에 포함된 원소를 조합시킬 예정이다. 복수의 층으로 나뉜 화합물을 효율적으로 적층시키는 기술 등을 개발해 제조비용을 저감시키는 것이 목표다. 여기에는 샤프 및 파나소닉, 도쿄대학 및 산업종합기술연구소를 포함한 산학관의 12개 법인이 개발을 담당한다.

화합물 타입의 제2그룹은 러시아의 과학자가 발견한 페로브스카이트 구조라는 박막으로 태양전지를 만드는데, 화합물의 소재에는 산화티탄 등을 사용한다. 태양전지를 박막으로 만드는 것이 가능하기 때문에 도포 및 롤 인쇄 등 저비용의 제조방법을 이용할 수 있는 장점이 있다. 여기에는 파나소닉 및 도시바와 시미즈화학공업 및 후지필름이 프로젝트에 참여한다.

일본 에너지전략의 대대적 변화

재생가능에너지 중에서도 태양광발전은 환경에 대해 영향이 가장 적다. 풍력, 수력, 지열, 바이오매스는 발전규모가 일정 이상인 설비를 건설하는 경우에는 사전에 환경영향평가를 수행하는 것이 의무화돼 있다. 태양광만 환경영향평가가 필요하지 않은 것이다. 단 현재에는 에너지 변환효율이 낮아 발전 비용이 높아지기 때문에 변환효율의 향상이 보급을 위한 최대 과제이다. 태양광에너지를 전기에너지로 변환하는 효율을 높이기 위해서는 변환과정에서 발생하는 손실을 억제할 필요가 있다. 다양한 요인으로 에너지 손실이 발생하지만 그중에서도 특히 손실이 큰 것은 태양전지에서 빛으로부터 전기를 변환하는 부분이다. 태양전지의 손실을 작게 해 변환효율을 높일 수 있다면 발전비용이 내려가 보급이 탄력을 받을 수 있다.

태양전지의 변환효율은 타입에 따라 차이가 있다. 현재 주류인 결정실리콘 타입은 제품 수준의 모듈 변환효율이 16% 정도가 최고 수준이다. NEDO는 2009년에 책정한 태양광발전 로드맵(PV2030+)에서 2025년까지 결정실리콘 타입의 변환효율을 25%로, 2050년에는 40%로 높이는 목표를 책정했다. 변환효율이 16%에서 25%로 증가하면 발전량은 1.5배, 40%라면 2.5배 증가한다. NEDO에서는 모듈의 변환효율이 25% 이상이 되면, 2030년 발전비용이 목표치인 1kWh당 7엔까지 내려갈 것으로 예상했다. 이 목표를 실현할 수 있다면 일본의 에너지 전략은 크게 변할 것으로 보인다.

정보는 2030년 에너지믹스(전원구성)를 검토하기 위해 화력 및 원자력, 각종 재생가능 에너지의 발전비용을 계산했다. 2030년에는 태양광의 발전비용이 12엔까지 내려가 국가의 정책에 필요한 경비를 제외하면 11엔이 될 것으로 예측했다.

이것은 화력 및 원자력과 동등한 수준이지만, 만약 NEDO 목표치인 7엔까지 내려간다면 태양광발전이 가장 저렴한 전원으로 바뀐다. 현재 2030년까지 재생가능 에너지의 비율을 22~24%로 높이는 것이 정부의 방침이지만, 본래는 30% 정도까지 높이는 것이 충분히 가능하다. 태양광을 필두로 높은 발전비용이 비율을 억제하는 이유 중 하나다.

태양광발전 비용을 7엔까지 저감시킬 수 있다면 장래 에너지믹스도 변한다. 재생가능 에너지 중에서 환경부하가 가장 낮은 태양광의 비율을 높이고, 방사능 오염의 리스크가 있는 원자력 및 이산화탄소 배출량이 많은 화력의 비율을 낮게 할 수 있다. NEDO는 태양전지의 고성능, 고신뢰화 프로젝트 이외에 태양광발전에 관한 3개의 프로젝트를 병행해 추진한다. 2014년도에 착수한 태양광발전시스템의 효율향상, 유지관리와 재활용, 그리고 2013년도에는 태양광발전시스템의 설치가 어려운 장소를 대상으로 다용도화의 실증 프로젝트를 개시했다.

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

SOLAR TODAY 이 서 윤 기자 (st@infothe.com)

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