태양광 발전이 대중화되는 데 가장 큰 걸림돌은 높은 발전원가 부담이다.

태양광 발전 시 전력 발전원가는 kWh당 25~40센트로 화력, 원자력 등을 이용한 기존의 발전 방법대비 발전원가가 3~10배에 달한다. 소매가격인 일반 가정용 전력가격에 비해 아직 높은 수준으로 경쟁력이 떨어진다.

그러나 국내 태양광 발전 기술은 2006년 이후 급격히 상승했으며 정부에서는 2013년까지 1.3GW를 보급할 계획이다.

태양광 발전 산업은 2005년도에는 약 1,800MW, 2006년도에는 약 2,500MW의 태양전지가 생산 됐다. 과거 6년간의 세계 연평균 성장률은 약 35%를 상회했고, 산업에 대한 투자로 생산설비는 더욱 가파른 성장률을 보이고 있다.
 
특히 우리나라의 반도체 산업 인프라를 고려한다면 태양전지 셀 제조 설비의 투자비용을 줄일 수 있고 국내 반도체 산업이 지니는 기술력을 활용할 수 있기 때문에 차세대 산업으로 각광받고 있다.

이에 우리의 태양광산업은 반도체 및 IT 산업 이후 차세대 산업으로 세계시장 석권이 가능할 것으로 예상된다.

지금까지 전 세계 태양전지의 기술 개발은 변환 효율의 향상과 발전단가를 낮추는 연구가 병행해서 진행되고 있으나 최근에는 태양전지 분야의 기술이 급격히 발전함에 따라 다양한 소재와 구조적인 측면의 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

대표적으로 실리콘 나노 와이어 태양전지가 이에 해당 한다.

▲ 평판형 태양전지 구조 및 와이어 태양전지 구조.

▲Si 나노 와이어 태양전지 소재의 구조

기존의 실리콘 기판을 활용한 태양전지는 기판 벌크에 pn 접합이 형성돼, 태양광의 조사 방향과 소수캐리어(반도체에서 전류 운반 구실을 하는 캐리어 중 수가 적은 쪽)의 확산 방향이 같은 축에 형성된다.

이에 따라 소수캐리어의 확산거리가 길기 때문에 고효율을 얻기 위해서는 순도가 높은 고가의 실리콘 기판을 사용하는 경제적인 문제가 있다.

반면 나노 와이어 구조를 갖는 실리콘 태양전지는 태양광의 조사 방향과 소수캐리어의 확산 방향이 수직하여 짧은 확산거리로도 태양전지가 구동된다. 따라서 기존의 평판형 태양전지 대비 저가의 실리콘 기판을 사용하면서도 고효율이 가능하다.


▲구동 원리

태양전지는 무한한 청정에너지인 태양광 에너지를 광기전력효과(Photo-voltaic Effect)를 이용해서 전기적 에너지로 변환 시키는 반도체 소자다.

기존 평판형 태양전지의 작동 원리는 반도체 pn 접합에 태양광이 조사되면서 전자, 정공 쌍이 생기고 pn 접합부에 생기는 전계에 이끌려 전자는 n영역에, 정공은 p영역에 유입하여 전류가 흐르게 되는 방식이다.

이때 외부의 부하로 전력을 공급할 수 있으며, 이 효과를 광기전력효과라 한다.

나노 와이어 구조의 태양전지의 작동 원리 역시 일반적인 태양전지 작동 원리와 동일하다.
다만 구조적 차이에 의해서 와이어의 핵(core)과 껍질(shell)간의 pn접합이 형성되고 이곳에 태양광이 조사됐을 때 앞서 설명한 것과 동일한 원리로 작동된다.

평판형 태양전지의 경우 태양광이 직각으로 조사될 때에만 실질적인 발전이 가능하고 따라서 태양의 각도 변화에 따른 태양전지의 움직임이 필요해 이를 위한 센서와 구동장치가 필요하다.

그러나 나노 와이어 태양전지는 수직이 아닌 경사진 태양광이 조사 될 때에도 발전이 가능해 태양이 뜰 때부터 질 때까지 장시간 더 많은 양의 전기 생산이 가능하다.

경사진 태양광에서 발전 가능, 전기 생산능력↑
우수한 반도체 인프라로 원천기술 확보해야

▲우리의 기술 수준, 선진국의 90%

우리 연구팀에서는 기존의 태양전지 구조에 비해 특성이 크게 향상되는 나노 와이어 태양전지 제조기술을 활용해 낮은 가격으로 고효율을 낼 수 있는 태양전지 개발에 관한 연구를 진행 중 이다.

그러나 현재 고효율의 태양전지 소자 분야에서 선도적인 위치를 점하기 위해 일본, 미국, 독일과 같은 선진국에서는 원천 기술 확보를 위한 연구가 활발히 진행되고 있는 반면 국내는 우수한 반도체 인프라 구축에도 불구하고 태양전지 소자 선도 기술에 대한 원천 기술 확보를 위한 연구는 미비한 상태다.

우리 연구팀의 실리콘 나노 와이어 태양전지의 현재의 기술 수준은 선진국 대비 90% 정도이며 지속적인 연구개발을 통해 원천 기술 확보에 총력을 기울이고 있다.


▲향후 100억달러 시장으로 부상

현재 화석연료 가격의 급격한 상승과 교토의정서 등에 의한 이산화탄소 배출규제와 맞물려 태양전지 시장의 규모는 기존 예측치보다 계속 상향 조정되고 있다.

이와 같은 추세로 볼 때, 2010년 20GW, 2015년 50GW 이상의 시장 형성이 가능할 것으로 예상된다.

또한 매년 35%이상의 고성장이 지속되고 있어, 금액으로는 올해 약 700억달러 규모는 충분히 달성할 것으로 평가된다.

또한 나노 와이어 태양전지의 경우 우수한 가격 경쟁력을 갖출 수 있기 때문에 차세대 실리콘 태양전지 분야의 핵심기술로 자리매김할 것으로 전망된다.

이러한 연구 결과가 실용화되는 2015년경 본 기술관련 각종 제품 및 원자재 수출입 규모가 크게는 100억달러이상 가능할 것으로 예측된다.