Update2024.05.03 (금)
차세대 주력 에너지, ‘태양광 발전’
■기술의 정의 및 분류
태양광기술(Photovoltaics)은 태양빛을 직접 전기로 변환시키는 기술로 반도체의 pn 접합으로 이루어진 태양전지 소자가 빛에 노출됐을 때 발생하는 광전(光電) 현상을 이용한 것이다.
가장 널리 사용되는 실리콘 웨이퍼를 소재로 한 태양전지(Solar Cell 또는 Photovoltaic Cell)는 필요에 따라 직·병렬로 연결해 장기간 자연환경 및 외부 충격에 견딜 수 있는 구조로 만들어 사용하게 되는데 그 최소 단위를 태양광모듈(Photovoltaic Module)이라 한다. 그리고 실제 사용부하에 맞추어 모듈을 어레이(Photovoltaic Array) 형태로 구성해 설치하게 된다.
태양광발전시스템의 구성은 그 이용 형태가 직류 또는 교류인지, 계통과 연계인지, 축전지 등의 저장장치 유무에 따라 다르다. 아래의 그림은 주택의 지붕에 태양광어레이를 설치한 태양광발전(Photovoltaic Power Generation) 시스템의 개략도다. 태양빛을 받으면 태양광 어레이로부터 직류 전기가 발생하는데, 이를 인버터(직-교류 변환장치)를 이용해 교류로 변환해 우리가 사용하는 가전제품 등의 전원으로 이용하게 된다. 경우에 따라 축전지를 설치할 수도 있다.
최근에는 대부분의 시스템이 상용 전원과 연계해 운전하기 때문에 연계장치가 필요하다. 연계장치는 태양광발전시스템의 운전 중 전력계통에 이상 발생 시 쌍방을 보호 및 제어할 수 있는 장치 등이 포함돼야 하고, 전력조류의 방향별로 전력량을 계량할 수 있는 전력량계가 필요하다.
태양광시스템의 구성은 크게 태양광어레이와 주변장치(BOS, Balance of System)로 구분하는데, 주변장치는 인버터·축전지·지지대 등 어레이 이외의 요소를 모두 포함한다.
태양광발전의 핵심 소자인 태양전지는 사용하는 광흡수층 소재 종류에 따라 분류할 수 있다.
■환경변화
◇친환경적 에너지 필요성
태양에너지를 이용한 태양광발전의 핵심소자인 태양전지는 1839년 프랑스 과학자 Becquerel이 전해질 속에 담겨진 2개의 금속전극으로부터 발생하는 전력이 빛에 노출 시 그 세기가 증가하는 광기전력 효과를 발견한 것으로부터 그 역사가 시작됐다.
1954년 미국 Bell Lab에서 실리콘을 소재로 한 최초의 태양전지가 개발됐고, 1958년 우주선 Vanguard I호의 전원공급용으로 최초로 실용화되기에 이르렀다. 1970년대 2차례의 석유파동을 겪으면서 미국·유럽·일본 등에서의 체계적이고 집중적인 연구개발에 힘입어 1980년대부터 제한적이긴 하지만 지상 발전용으로 활용이 시작됐고, 이어서 에너지 환경 문제가 지구적 차원의 문제로 부각됨에 따라 최근 가장 유망한 에너지 기술의 하나로 인식되기에 이르렀다.
지난 30년 동안 미국·유럽·일본을 중심으로 한 기술개발의 결과로 태양전지의 효율은 높아지고 생산단가는 크게 낮아져 경제성이 점점 더 좋아지고 있다.
◇새로운 에너지 산업으로 급성장 - 미래 에너지 공급의 큰 축
태양전지 시장은 매우 빠른 속도로 성장하고 있다. 2009년에는 전 세계에서 약 7,200MW(원자력발전소 1기 용량이 1,000MW=1GW)가 보급됐는데, 누적 보급량은 약 20GW다. 2010년에는 약 12GW, 그리고 2014년에는 약 19GW가 될 것으로 예측되고 있다. 금액으로 2010년 시장 규모는 태양광발전시스템(태양전지에 주변장치를 연결한 발전시스템) 기준으로 약 500억달러, 태양전지 모듈 기준으로는 약 300억달러에 달할 것으로 전망되였을 정도로 이미 새로운 에너지 산업으로 자리를 잡아 가고 있다.
친환경 에너지원 대표주자
독자적 원천기술 확보 중요
2020년까지 전 세계 10억명 이상(전기의 혜택을 입지 못하는 인구가 약 16억 명)의 사람에게 전기의 혜택을, 200만명에게 일자리 제공이라는 야심찬 목표로, 그린피스와 유럽태양광산업협회가 함께 펴낸 보고서 ‘Solar Generation V-2008’에 의하면 2030년에 태양전지만으로 전 세계가 필요로 하는 전기의 약 9%를, 2040년에는 약 14%를 충당하고, 2030년의 연간 시장 규모는 4,500억유로를 상회할 것이라는 전망이다. 참고로 현재 전 세계에서 발전 가능한 설비 용량이 약 4,700GW이고, 우리나라는 현재 약 74GW의 발전 설비를 보유하고 있다.
태양전지의 가격이 획기적으로 낮아지면 주택과 건물용뿐만 아니라 사막과 같이 일사량이 풍부한 지역에 대량으로 설치할 수 있어 전 세계적 차원에서 에너지공급 문제의 해결에 결정적 역할도 기대가 된다. German Advisory Council on Global Change 가 2003년 발표한 장기 전망에 의하면 태양광 발전만으로 전 세계가 필요로 하는 에너지의 상당부분을 충당 가능할 것으로 보고 있다.
■기술의 중요성
◇기술 및 시장 선점 경쟁 치열
시장의 급팽창과 함께 국가 간, 기업 간의 경쟁이 매우 치열하다. 2009년 태양광 관련 제조업체 수는 40개국에 약 400여개인 것으로 파악되고 있다.
일본, 독일, 미국 등 전통적인 강국들이 기술적 우위에 있고, 이들 국가들이 차세대를 겨냥한 핵심 원천기술 개발에 집중적인 투자를 하고 있는 반면, 최근에는 중국과 대만이 생산에서 세계 선두의 위치에 올라서는 등 태양전지 산업을 둘러싼 환경이 급변하고 있다.
우리나라에서도 태양광 분야의 중요성을 인식하고 대기업들이 경쟁적으로 투자를 확대하고 있고, 정부에서도 적극적인 대응이 필요한 시점으로 인식하고 다양한 지원 정책을 시행하고 있다.
◇독자적인 원천기술의 확보
기존 발전방식과 경쟁이 가능한 차세대 태양전지의 연구개발에 미국·일본·유럽은 정부주도로 20년 이상 기술개발을 선도하고 있지만, 이들 국가에서도 아직 연구개발 단계로 상대적으로 기술 격차가 크지 않기 때문에 집중 개발이 이루어질 경우 선진국과 경쟁할 수 있는 독자적인 원천기술 개발이 가능할 것이다.
이 분야는 첨단기술 분야로 선진국이 기술이전을 기피하기 때문에 자체적인 개발이 불가피하다. 특히 태양전지 기술은 우리나라가 전 세계적으로 그 기술을 자랑하고 있는 반도체와 디스플레이 기술과 유사해 기술개발 및 산업화에 필요한 인프라를 활용할 수 있어 매우 유리한 위치에 있다.
■태양전지의 개요
◇태양전지의 작동원리
태양전지는 반도체 실리콘의 pn접합을 기본으로 앞면에 그리드 형태의 전극과 반사방지막, 그리고 뒷면에 금속 전극을 가진 구조로 돼있다. 실리콘 태양전지의 경우 주기율표 상 4가 원소인 규소(Si)의 일부분을 5가 원소(P, As, Sb)를 불순물로 해 치환하면 n형 반도체가, 3가 원소(붕소, 칼륨)를 치환하면 p형 반도체가 형성된다.
pn접합 부위에서 불순물의 농도차에 의해서 n형 반도체의 전자가 p형 반도체로 확산해 가고, 정공은 p형에서 n형으로 확산됨에 따라 각각의 남은 자리에 플러스와 마이너스 전하를 띈 이온화 원자가 모이게 된다. 이와 같은 전하의 차이에 의해 내부 전기장이 형성된다.
이 때 반도체의 금지대폭(밴드갭, Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 pn 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 됨에 따라 pn간에 기전력(광기전력, Photovoltage)이 발생하게 된다. 이 때 양단의 전극에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 되는 것이 그 동작원리이다.
태양전지를 단락하면 입사광량에 비례한 광전류가 외부회로에 흐르게 되는데 이를 단락전류(Isc, short circuit current)라 한다. 이때의 전압은 영이다. 그리고 pn접합의 양단을 개방하면 전자와 정공이 각각 n, p층으로 유입되는데, 이때 n층과 p층의 페르미 준위 간에는 편차가 생긴다. 이 값은 외부로부터 측정할 수 있으며, 이를 개방전압(Voc, open-circuit voltage)이라 한다. 이때의 전류 값은 영이다.
개방전압은 반도체의 밴드갭 에너지에 의해 결정된다. 태양전지의 특성은 가변 부하의 조건에서 측정한 전류-전압 곡선으로부터 구하게 되는데, 이때 특성 파라미터는 아래의 수식과 같이 계산된다.
개방전압은 태양전지 접합부 온도의 증가에 따라 감소하고, 조사 강도가 증가함에 따라 대수적으로 증가한다.
◇태양전지 장단점
태양전지를 이용한 태양광발전은 환경친화적으로 화석연료를 사용하는 다른 발전방식과 같이 대기오염이나 소음의 발생이 없고, 에너지원이 무한해 석유자원과 같이 고갈의 염려가 없다는 것이 가장 큰 매력이다. 기술적으로 규모(태양전지의 면적)에 의해 발전량은 변하지만 발전효율은 규모에 관계없이 일정하기 때문에 소규모에서 대규모 부하까지 대응할 수 있다. 특히 발전시간이 첨두부하( 하루의 전력 사용 상황으로 보아 여러 가지 부하가 겹쳐져서 종합 수요가 커지는 시각의 부하)가 걸리는 시간(낮)과 일치하므로 하절기 첨두부하를 줄여주는 부가효과가 있다.
또한 태양빛이 닿는 곳이면 전기를 필요로 하는 어느 장소에서나 발전할 수 있고, 소형으로 만들어 휴대할 수도 있다. 발전을 위한 연료공급이 필요 없는 것은 물론이고 기계적인 구동장치가 없어 거의 보수가 필요 없고, 자동 원격운전이 가능하다. 그리고 내후성과 신뢰성이 이미 확인돼 현재기술로서도 25년 이상 작동이 가능한 것이 특징이다.
단점은 역시 타 발전방식 대비 경제성이 낮다는 점이다. 대규모 발전을 위해서는 넓은 면적이 필요하고, 태양광의 유무 및 그 강도의 시간 변화에 따라 발전의 변화폭이 큰 점이 단점이다.
■태양전지의 성장성
최초의 태양전지는 통신위성의 전원공급용으로 사용됐다. 또 전 세계의 산간 오지나 사막지역에 사는 주민들에게도 통신용이나 라디오 수신, 야간 조명용으로 최소한의 전기가 필요한데, 가장 이상적인 것이 바로 태양전지다. 전 세계 인구 중 약 16억명이 아직까지 전기의 혜택을 누리지 못하고 있는데, 태양광을 통해 이들도 최소한의 문명 혜택을 누리고 삶의 질을 높일 수 있을 것이다.
특수한 용도로만 사용되던 태양전지는 가격이 크게 내려가면서 현재 우리 주변에까지 널리 사용되고 있다. 주 활용분야는 주택, 건물용과 수MW 급의 대규모 태양광 발전소다.
일조량은 좋지만 불모지에 가까운 사막 지대가 넓게 분포돼 있는데, 그 면적의 약 4%만 태양전지로 덮으면 전 세계가 필요로 하는 에너지를 모두 충당할 수 있다. 그리고 태양전지로 구동되는 태양광 자동차(Solar Car), 태양광 비행기 등도 주목을 받고 있다. 미래에는 지상보다 햇빛이 강한 우주에서 태양전지를 넓게 펼쳐 생산한 전기를 지구로 보내는 이른 바 우주 태양광발전도 그 모습을 보이게 될 것이다.
■태양전지에서 소재의 역할과 위상
태양전지를 이용한 태양광발전기술의 전기 생산단가가 기존 발전 방식과 경쟁이 가능하기 위해서는 태양전지의 저가격화와 고효율화가 확보돼야 한다. 태양전지 종류에 무관하게 태양광 모듈 기준으로 제조가격에서 소재비용이 차지하는 비율은 약 1/2 정도다.
아래 그림은 CIGS(CuInGaSe2) 박막 태양전지의 제조가격을 구분한 것으로, 저가격화를 위해서는 소재, 장비, 인력, 에너지 등 모든 비용을 절감할 수 있어야 하는데, 그 핵심은 저가격으로 공급이 가능한 양질의 소재를 발굴 또는 개발하고, 소요량을 최소화하는 것이다. 가장 핵심인 광흡수층 및 여타 박막층의 소재 비용이 약 25%, 전후면 유리가 약 14%, 모듈 제조에 필요한 기타 소재가 약 10% 정도다.
■태양전지에서 소재의 역할과 위상
태양전지를 이용한 태양광발전기술의 전기 생산단가가 기존 발전 방식과 경쟁이 가능하기 위해서는 태양전지의 저가격화와 고효율화가 확보돼야 한다. 태양전지 종류에 무관하게 태양광 모듈 기준으로 제조가격에서 소재비용이 차지하는 비율은 약 1/2 정도다.
아래 그림은 CIGS(CuInGaSe2) 박막 태양전지의 제조가격을 구분한 것으로, 저가격화를 위해서는 소재, 장비, 인력, 에너지 등 모든 비용을 절감할 수 있어야 하는데, 그 핵심은 저가격으로 공급이 가능한 양질의 소재를 발굴 또는 개발하고, 소요량을 최소화하는 것이다. 가장 핵심인 광흡수층 및 여타 박막층의 소재 비용이 약 25%, 전후면 유리가 약 14%, 모듈 제조에 필요한 기타 소재가 약 10% 정도다.
태양전지 변환효율의 향상 및 25년 이상의 장기간 사용 후에도 성능이 변하지 않는 신뢰성 확보를 위해서는 광흡수층, 전극 등의 핵심 소재는 물론 태양광 모듈 제조에 소요되는 전후면의 커버 유리나 고분자 수지, 봉지재용 투명 EVA, 가장자리 실란트, 프레임 및 여타 금속, 세라믹 및 고분자 소재 등을 용도에 맞도록 선정하거나 아니면 더 좋은 성능의 소재를 개발해야 한다.
■태양전지소재별 기술개발동향
태양전지의 종류는 그 재료에 따라 구분하는데, 현재 생산되는 태양전지의 80% 이상은 단결정 및 다결정 실리콘 웨이퍼를 소재로 한 것으로 이를 제 1세대 태양전지, 실리콘과 화합물반도체 및 염료감응형을 포함한 유기물을 소재로 한 박막 태양전지를 제 2세대 태양전지, 그리고 현재 실험실에서 태동 중이거나, 미래에 출현할 적층형 또는 나노구조 태양전지, 유무기 복합소재의 태양전지를 제 3세대 태양전지로 분류하고 있다.
발전단가 측면에서 타 발전방식과 경쟁하기 위해서는 저가 고효율화가 관건이다. 현재 사용되고 있는 태양전지의 대부분은 웨이퍼 형태의 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지로 2009년 기준 전체 시장의 약 83%를 점유하고 있다.
소재별 태양전지의 최고 변환효율과 주요 특징은 아래의 표와 같다. 지상용의 경우 결정질실리콘 태양전지의 효율이 가장 높은데, 시장의 점유율을 높여가고 있는 박막형의 경우 CIGS가 가장 높고, 이어서 CdTe, Si의 순이다. 특히 CIGS의 경우는 실험실적 효율이 다결정실리콘 태양전지의 최고 효율에 근접하고 있다.
태양전지 종류별 변환효율 추이는 전체적으로 꾸준한 상승세를 확인할 수 있지만 종류에 따라 수년간 정체되고 있는 경우도 적지 않다. 그리고 최근 연구개발의 관심이 올라가고 있는 신형 태양전지의 경우는 효율 향상 속도가 매우 빠름을 볼 수 있다.
◇벌크형 결정질 실리콘 태양전지
1980년대 이후 태양전지 제조에 가장 먼저 사용된 반도체 재료가 단결정실리콘이다. 다결정실리콘은 최근 태양전지 시장에서 차지하는 비중이 약간 떨어지긴 했지만 대규모 발전시스템 분야에서 가장 널리 이용되고 있다. 이는 다결정실리콘이 효율은 낮지만 보다 값싸게 만들 수 있기 때문이다. 2009년 일본 Mitsubishi(미츠비시)전기에서는 면적 218㎠에서 효율 19.3%를 달성했다.
전형적인 단결정 및 다결정 태양전지와 모듈의 제조공정은 실리콘 원소재로부터 출발, 잉곳(또는 블록) - 웨이퍼 - 태양전지 - 모듈의 순서로 최종 제품에 이르게 된다. 각 요소별로 다양한 공정 및 기술이 상용화돼 있다.
현재까지 가장 높은 24.7%의 변환효율을 기록한 PERL((Passivated Emitter, Rear Locally-diffused) 단결정실리콘 태양전지는 그 구조상 실제 제조공정이 매우 복잡하고 공정에 소요되는 시간도 매우 긴 것이 단점이다. 미국의 Sunpower사에서는 전극을 모두 뒷면에 배치한 구조로 고효율의 단결정실리콘 태양전지를 양산하고 있다. 이들 태양전지는 그 특징상 우주용이나 태양광자동차 등 고효율을 필요로 하는 분야에 적합하고, 고배율의 집광형시스템에도 유리하다.
실리콘 웨이퍼 태양전지는 고효율·안정성이 우수한 장점이 있지만 실리콘 원료로부터 단결정의 잉곳이나 다결정의 블록을 만든 다음 이를 절단·연마해 웨이퍼를 만들고, 웨이퍼로부터 태양전지 제조, 모듈 조립의 순서를 거쳐 공정수가 많고, 공정 자체가 단속적일 수밖에 없는 단점이 있다.
향후 결정질실리콘 태양전지의 경제성을 향상시킬 수 있는 방안으로 큰 기대를 하는 것은 실리콘 웨이퍼의 두께를 현재의 180∼200μm에서 최저 50μm까지 줄이는 것이다. 가장 확실한 대안으로는 박막 태양전지 기술, 나아가서는 새로운 소재와 구조를 이용한 초저가·초고효율 태양전지를 개발하는 것이다.
일본의 Sanyo에서는 실리콘 기판위에 비정질실리콘 박막을 입힌 새로운 형태의 HIT (Heterojunction with intrinsic thin-layer) 구조의 태양전지를 개발했는데, 이는 기존 결정질실리콘 기술과 박막 태양전지 기술이 접목된 것이다.
◇박막 실리콘 태양전지
사용되는 소재에 따라 차이는 있지만 박막 태양전지는 현재 수준에서 에너지 변환효율은 결정질실리콘 태양전지에 비해 낮지만 제조 공정 및 이용 분야에서 다양한 장점을 갖고 있다. 공정 측면에서 기판으로부터 시작해 대면적의 모듈을 직접 제조할 수 있는 것이 가장 큰 특징이다. 유리 대신 금속 포일이나 플라스틱 필름을 기판으로 사용하면 플렉시블 태양광 모듈의 구현도 가능하고, 그 크기는 손쉽게 조절할 수 있다. 박막 제조에 필요한 공정은 반도체나 디스플레이 등을 만들 때 사용되는 것과 유사한 기술로 이미 상당 부분 정립돼 있다고 볼 수 있다.
박막 태양전지 중 가장 처음으로 개발된 것이 비정질실리콘으로, 초기 빛에 노출될 경우 효율이 급격히 떨어지는 단점이 발견돼 대규모 발전용으로는 사용되지 못하고, 시계·라디오·완구 등 소규모 가전제품의 전원용으로 주로 사용되고 있었는데, 최근 효율의 향상과 함께 초기 열화현상을 최소화할 수 있는 다중접합 구조 또는 하이브리드 구조의 개발과 함께 전력용으로 이용되기 시작했다.
박막 실리콘은 결정 상태에 따라 a-Si, μc-Si 또는 다결정 실리콘(Polycrystalline Silicon; poly-Si), pc-Si 태양전지로 구분할 수 있는데, pc-Si은 a-Si과 μc-Si 사이의 상전이 영역에 있는 물질이다. 그리고 접합구조에 따라 단일접합, 이중 또는 삼중의 다중접합 구조가 가능한데, a-Si/a-Si, a-Si/a-SiGe, a-Si/a-SiGe/a-SiGe, a-Si/μc-Si, a-Si/μc-Si/μc-Si 등의 하이브리드 적층(hybrid tandem) 태양전지가 있다.
미국 Unisolar 제품으로 스테인리스스틸 기판위에 a-Si/a-SiGe/a-SiGe 의 3중 접합구조, 일본 Kaneka 제품으로 유리 기판위에 a-Si/μc-Si 하이브리드 이중 접합구조 등은 이미 상품화돼 있다.
◇화합물 박막 태양전지(CIGS, CdTe, GaAs, InP)
뒤이어 출현한 박막 태양전지가 CdTe, CIGS 계의 화합물반도체를 소재로 한 것으로 비정질실리콘에 비해 효율이 높고, 또한 초기 열화현상이 없는 등 비교적 안정성이 높은 태양전지로 발전용으로서의 사용을 목적으로 미국·유럽·일본 등에서 이미 생산되고 있다.
CdTe는 기술적으로 매우 값싼 공정으로 제조가 가능한 점이 가장 큰 특징이다. Cd을 사용하는 점이 일본으로부터는 배척을 받게 되는 결정적 요인이 됐지만 미국의 First Solar가 대량생산에 착수한 후 2009년에는 연산 1GW를 돌파해 세계 최대 모듈 생산회사가 됐고, 2009년 말 현재 대량생산에서 모듈의 효율 10.8%에, 생산단가 0.85달러/W를 발표한 바 있다.
CIGS 박막 태양전지의 원천기술은 미국 Boeing社 소유이고 이후 실용화에 핵심 기술개발 역시 미국이 주도했으나 일본과 독일의 추격으로 상업화 주도권이 바뀌었다.
2007년부터 독일의 Wurth Solar, 일본의 Showa Shell Sekiyu, Honda가 각기 독자적인 기술로 제품을 시장에 선보였다. 미국은 Solar America Initiative 프로그램으로 다수의 벤처기업들이 보다 값싸고 효율적인 CIGS 박막 태양전지 기술개발과 함께 상업화를 준비하고 있다.
CIGS는 실험실적으로 만든 박막 태양전지 중에서 가장 높은 20.1%의 변환효율을 기록, 현재 상업화 돼 있는 다결정실리콘 태양전지의 최고 효율 20.3%에 육박하고 있다. 한편 공인 기록은 아니지만 최근 시제품 모듈에서 15% 이상의 효율이 발표된 바 있다. 또한 CIGS 화합물 태양전지는 우주에서 높은 에너지를 가진 입자에 대한 내성이 높아 경량 구조로 우주용으로서의 활용도 모색되고 있다. 현재 미국, 유럽의 많은 회사들이 이 분야의 활용을 목표로 기술개발을 추진 중이다.
GaAs, InP 화합물 태양전지는 결정질실리콘 태양전지 보다 더 높은 효율을 나타내는데, 가장 큰 단점은 가격이 매우 비싸다는 점이다. 따라서 그 용도도 지상 발전용보다는 우주선 등의 전원공급용에 국한돼 있는데, 가격도 지상용 태양전지의 수백 배에 이른다. 가격을 절감해 지상용으로 사용하기 위해서는 값싼 기판위에 박막으로 제조해야 하는데, 아직까지 실용화단계에 이르지 못하고 있다.
우주용의 경우 현재는 GaInP/GaAs/Ge를 소재로 한 삼중접합 구조의 태양전지(최고 효율 32%)를 사용하고 있는데, 조만간 변환효율(약 38%)이 더 높은 사중접합 구조가 출현할 것으로 전망된다.
집광형 태양전지의 최고 효율은 GaAs 단일접합에서 27.8% (0.2㎠, 216suns), GaInP/GaInAs/Ge 삼중 접합에서 39.3% (0.378㎠, 179suns)와 40.7% (240suns), 그리고 면적이 더 큰 GaInP/GaAs/Ge 삼중접합은 27.0% (34㎠, 10suns)다.
◇유기 태양전지(염료감응, 유기계)
1990년대 초반부터는 반도체 무기소재 대신 유기염료를 소재로 광합성원리를 이용한 염료감응 태양전지와 전자주개 (Donor)와 전자받개 (Acceptor) 특성을 갖는 유기분자형 태양전지와 같은 유기태양전지 연구가 진행되고 있다.
유기분자형 태양전지는 에너지 변환 효율이 현재 약 5% 정도로 매우 낮지만 매우 얇고 가벼운 플라스틱 태양전지의 실현은 물론 롤투롤 (roll-to-roll) 프린팅 공정 적용이 가능해 제조단가를 획기적으로 줄일 수 있는 가능성이 있다. 1991년 스위스 Gratzel 그룹에서 보고한 염료감응 광전기화학 태양전지는 제조단가가 매우 낮아 가격경쟁력이 우수한 기술로 평가받고 있다.
현재 소면적 태양전지의 에너지 변환 최고효율이 최고 11.2%이고, 소면적 모듈의 시제품에서 일본의 Sony가 2010년에 효율 9.2%를 달성했다.
염료감응형 태양전지는 투명하게 만들 수 있어 채광과 발전을 겸한 창호용으로도 사용될 수 있다. 유기 태양전지의 효율 향상도 매우 빠르게 이루어지고 있는데, 2009년 미국 Solamer에서 효율 7.9%를 달성한 바 있다.
고효율·저비용 실현 관건
소재개로 한계 극복 가능
■태양전지소재 기술개발의 핵심 이슈
◇결정질 실리콘 태양전지소재의 저가화
실리콘 웨이퍼 태양전지는 고효율·안정성이 뛰어나지만 공정이 단속적이고, 또한 기판의 두께를 줄이는데 어려움이 있고, 기판 가공 단계에서 손실이 많은 점이 애로 과제이다. 소재의 제조단가를 최소화 하거나, 박형의 기판을 용이하게 제조할 수 있는 기술, 소재의 사용량을 최소화할 수 있는 기술의 개발이 관건이다. 실리콘 웨이퍼의 두께를 최저 50μm까지 줄이는 데 큰 기대를 걸고 있으나 그에 따른 여타 공정의 확립이 전제돼야 한다.
◇고신뢰성 박막 실리콘 태양전지용 소재의 고효율화 및 저가화
실리콘 박막 태양전지의 최대 단점은 초기 옥외 노출 시 최대 30%까지 출력이 떨어지는 열화 현상이다. 적층 태양전지, 미결정 실리콘광의 하이브리드 구조로 열화 현상이 많이 억제되기는 했지만 아직도 근본적인 해결책은 없다. 고효율화에 소요되는 다양한 밴드갭을 지닌 광흡수층 소재를 확보하는 것도 기술의 도약을 위해서는 반드시 선행돼야 한다.
◇CIGS, CdTe 화합물 박막 태양전지의 적층구조 및 저온 공정
지금 보다 효율을 한 단계 더 향상시킬 수 있는 적층 구조가 실현돼야 하는데, 적절한 밴드갭의 광흡수층 소재와 함께 낮은 온도에서 박막화를 실현할 수 있는 혁신적인 공정기술이 필수적이다. 한편 소요되는 원재료의 부존량에 한계가 있어 대체 소재의 발굴 및 개발도 대규모 생산을 위해서는 반드시 해결돼야 한다.
