박막형 태양전지, 태양광 절감기법

태양전지는 빛을 흡수하는 소재의 종류에 따라 Si계, 화합물반도체계, 유기계 등으로 분류될 수 있으 며, 상용화 순서에 따라서는 1세대(결정질 실리콘), 2세대(실리콘박막, CIGS 및 CdTe 박막), 3세대 (염료감응, 유기) 및 차세대(양자점, 플라즈몬 등)로 분류할 수 있다. 결정질 실리콘 태양전지의 경우 최근 실험실 및 상업용 모듈의 효율이 기술개발에 의해 지속적으로 증가하고 있으며, 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이는 연구가 진행되고 있다. 박막 태양전지 중에서는 고효율화 기술개발과 함께 플렉시블 태양전지의 개발이 진행되고 있다. 태양전지 종류별 기술 개발 현황 및 계획은 다음 표와 같다.

 

 

 

 

<표> 태양전지 종류별 효율 및 특징

 

 

 

 

1. 박막형 태양전지

 

박막 태양전지는 실리콘 기판 전체를 태양광 흡수에 쓰는 결정질 실리콘 태양전지와 달리 유리나 플렉서블 기판 위에 빛을 흡수하는 반도체 소재를 얇게 증착하는 방식으로 제작하는 태양전지로 실리콘 박막, CIGS, CdTe 등이 있다. 박막 태양전지는 저가의 기판을 사용할 수 있고 공정이 상대적으로 단순하여 단가 절감과 다양한 응용이 가능하여 많은 연구가 진행되고 있으나, 결정질 실리콘 태양전지 가격의 지속적인 하락으로 박막 태양전지를 비롯한 다른 종류의 태양전지 경쟁력이 크게 약화됨에 따라 시장 진입이 지연되고 있다.

특히 실리콘박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지 제조 단가의 절대적 비중을 차지하는 실리콘의 양을 줄일 수 있어 실리콘 태양전지의 가격을 낮추기 위한 대안으로 많은 연구가 진행되었으나, 결정질 실리콘 태양전지 가격의 급락으로 시장이 크게 축소되었다. 이에 따라 삼중접합 구조를 활용한 실리콘 박막 태양전지로 13.4%의 세계 최고효율을 달성한 LG전자 또한 실리콘 박막 태양전지 사업을 중단하였다. 다만, 최근에 실리콘 박막기술을 이용하여, 결정질 실리콘 태양전지의 구조에 비정질 실리콘 또는 실리콘 산화물 박막을 포함하여 터널링 효과를 이용, 효율을 획기적으로 높이는 연구개발을 통해 미국의 Silevo사는 양산투자를 진행 중으로 2016년 말 상업생산이 기대되고 있다. 향후 시장경쟁 력의 회복을 위해서는 태양전지 제조단가를 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 박막 태양전지 제조기술에 대한 연구개발이 필요한 상태로서, 이러한 기술개발과 나노기술을 기반으로 하는 실리콘 박막 태양 전지 기술들이 원천기술 형태로 개발되고 있다.

 

 

 

[그림] 상용화된 박막 태양전지 군의 소자구조 도식도

 

 

 

 

CIGS 박막 태양전지의 경우, CIGS 박막 태양전지는 2015년 일본 Solar Frontier사에서 소면적 기준 22.3%, 2016년 독일 ZSW에서 22.6%의 최고효율을 잇달아 달성함으로써 실험실 수준에서는 단결정 실리콘 태양전지 수준에 도달할 정도로 높은 효율 상승여력을 보여주고 있으며, 기존의 CdS 버퍼층을 ZnS로 대체하여 중금속인 Cd의 유해성 이슈에서도 벗어나려는 노력을 보이고 있다. 상업용 대면적 CIGS 박막 태양전지의 효율 또한 일본의 Solar Frontier 등에서 최신 생산라인에서 패널 기준으로 15%를 넘는 등, 다결정 실리콘 태양전지에 근접한 수준에 도달하고 있다.

 

 

박막 태양전지 분야에서 가장 두각을 나타내고 있는 CdTe태양전지는 2015년 미국 First Solar사에서 22.1%의 최고효율을 달성하였으며, 양산모듈의 효율은 16%에 가까운 수준으로 미국을 중심으로 대규모 발전용 시장에서 자리매김하고 있다. 생산능력이 박막태양전지분야 최고인 2.7GW이며, 양산원가및 효율을 지속적으로 향상시키고 있으며, GE사의 해당사업을 인수하는 등 독보적인 위상을 구축했 다. 다만, Cd문제를 대응하기 위하여 리싸이클 책임 등의 보완책을 실행 중이나, 확장에 부정적인 영향을 미치고 있다.

 

1990년대 초반, 소면적 실험실 Cell 기준 10% 대의 효율로 혜성같이 등장한 염료감응 태양전지는 그후 수많은 노력에도 불구하고 아직까지는 12%대의 최고 효율에 머물러 있는 실정이다. 그러나 그동안의 노력에 힘입어 소자의 특성 규명과 장기 안정성, 대면적화 측면에서 괄목한 만한 발전을 이룩한 바있다. 세계의 많은 업체들이 DIPV나 BIPV용으로의 활용을 위해 실용화 연구를 추진하고 있으며, 서브 모듈 기준 10%에 근접하는 결과들이 발표되고 있다. 전통적인 액상 염료감응 태양전지 분야에서는 선구자인 스위스의 Gratzel 교수 그룹이 포피린계 염료와 코발트계 Redox쌍을 이용하여 2011년 말에 발표한 12.3%가 아직 세계최고 효율이며, 2012년 말에 유무기 Perovskite계 염료와 OMeTAD 고상 전도물질을 이용한 고상 염료감응 태양전지(효율 10.9%)가 영국 옥스퍼드대 Snaith 교수 팀에 의해 발표되면서 큰 주목을 받고 있다.

 

2000년대 들어 10년 만에 효율 10%대로 진입한 유기박막 태양전지(OPV)의 경우, 그동안 실용화 개발의 선두 주자 역할을 해왔던 미국의 Konarka사가 2012년에 도산하면서 다소 발전 속도에 제동이 걸린 상태이다. 하지만 OPV의 차별적인 특성과 용도, 성능 향상에 고무된 많은 기업들이 여전히 물밑 연구개발에 박차를 가하고 있는바, 독일의 Heliatek사가 2013년 1월 저분자 진공 소자에서 12.0%(면적 1.1㎠), 일본의 Mitsubishi Chemical사가 저분자 습식 소자에서 12%에 육박하는 최고 성능을 발표 하였다. Heliatek사와 Mitsubishi Chemical사는 각각 준양산 규모의 플렉시블 유기박막태양전지 모듈 생산시설을 활용하여 2016년 중 본격적인 사업화를 진행하고 있다.

 

 

 

2. 향후 전망

 

무한정하면서도 청정한 태양에너지를 바로 전기로 변환하는 태양광 발전은 석유자원의 고갈문제가 대두되면서부터 이미 에너지 문제를 극복할 최선의 대안으로 인식되어 왔다. 최근의 일시적인 수요공급 불일치에 따른 경기위축 문제에도 불구하고 앞으로 태양광발전 산업은 지속적으로 발전할 것으로 예측 되며, 장차 국내의 에너지 자립에도 기여할 것으로 전망된다. 하지만 중요한 것은 다가올 시장 확대기에 대비하여 국내 기업이 경쟁력을 꾸준히 확보해나가고 향후 우리나라의 미래성장동력 산업으로 성장 하는 것이며, 또한 이와 함께 국내에서의 태양광발전 보급도 보다 늘리는 것이다. 이를 위하여 무엇보다 필요한 것은 차별화된 기술을 선점하는 것이며 기술개발에 의한 결정질 실리콘 분야에서의 경쟁력 확보와 함께 향후 부가가치 창출 효과가 크고 다양한 분야로의 응용이 가능한 차세대 박막 태양전지를 개발하는 것이 좋은 대안이 될 것이다. 이를 위하여 그간의 연구개발 투자 성과 분석을 바탕으로 연구 개발의 효율성을 높이고 더 나아가 원천기술 개발을 위한 투자를 확대해야 할 것이다.

이미 정부에서는 고효율 초저가 태양광 미래기술을 선점하기 위한 연구개발에 투자하고 있다. 태양광 국내 기업의 수출 시장 확대만큼 내수시장의 확보 또한 간과해서는 안 될 과제이다. 내수 시장의 확보는 국내 기업의 경쟁력 강화 뿐만 아니라 국가 에너지 자립의 관점에서도 매우 중요하다. 우리와 비슷한 일사 조건을 가지고 있으면서도 세계 태양광 보급을 선도하고 있는 일본과 독일의 사례는 우리에게 시사하는 바가 매우 크다. 건물일체형 태양광발전 시스템, 4대강 유역의 수상(변) 태양광발전 시스템등 국내 실정에 맞는 태양광 시스템을 보급하기 위한 범부처간 노력이 필요하다고 보이며 또한 태양광 에너지의 생산 및 사용자(프로슈머)의 법적 지위를 확립하는 등 보급 확대를 위한 법규 및 제도의 개선도 더욱 필요하다. 이에 있어 최근 논의 중인 네거티브 방식으로의 규제 개혁은 매우 바람직한 시도 이고 태양광발전 기술의 실용화를 통한 친환경 전기 에너지원 확보의 필요성은 더욱더 강조되고 있지 만, 국내 기업의 산업 경쟁력 확보 및 보급 확대는 결코 쉽지 않은 과제이다.

우리나라가 보유하고 있는 기술 개발 인프라를 최대한 활용하여 차세대 태양광 기술을 확보하고, 범국 가적인 차원에서의 산업 및 보급 지원 체계를 구축하기 위한 노력이 매우 필요한 시점이다. 이와 함께 규모의 경제를 실현할 수 있는 생산용량확보, 관련 산업의 수직계열화, 개별 기업이 아닌 국가 차원의 컨소시엄을 구성하여 공동 대응하는 방법 또한 바람직하다.

 

 

 

 

 

참고 문헌
1. 한국에너지기술연구원, 윤경훈, PV CDROM 태양광개론, 2016
2. 한국에너지기술평가원, 송재천, 신재생에너지 백서, 2016
3. 한국에너지기술평가원, 정훈, 국내외 태양광 기술개발 및 시장 동향, 2016

 

 

 

 

 

 

 

박막형 태양전지, 태양광 절감기법

EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼

 

 

 

 

 

 

 

 

 

이전 글 다시보기

 

 

결정형 태양전지, 태양광 절감기법

결정형 태양전지, 태양광 절감기법

 

 

표준 TMY 기상자료, 태양광 요소기술

표준 TMY 기상자료, 태양광 요소기술

 

 

태양 복사의 측정, 태양광 요소기술

태양 복사의 측정, 태양광 요소기술

 

 

태양광 요소기술, 태양 일조강도 데이터 세트의 분석

태양광 요소기술, 태양 일조강도 데이터 세트의 분석

 

 

태양광 요소기술, TMY 데이터의 이용

태양광 요소기술, TMY 데이터의 이용