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우주로부터의 선물, 태양광
우진엔텍  2014-06-26 15:41:23, 조회 : 3,015, 추천 : 590

최근 미국의 UCLA 대학에서는 무색의 투명한 태양전지를 제작해 관련 연구계 및 산업계의 많은 관심을 받고 있다. MIT 대학 출신의 한 벤처기업에서는 무색의 투명한 태양전지를 터치패드 스크린 겸용 충전지로 활용한 디스플레이 장치를 발표하기도 했다.

투명 태양전지는 기존의 빛을 흡수해 전기를 생산하는 태양전지의 기본원리를 고려했을 때 모순적이라고 생각될 수 있다. 하지만 실제로 태양전지는 우리가 사물을 볼 수 있게 해 주는 가시광선은 최대한 투과시키고, 자외선이나 적외선 등 눈에 보이지 않는 태양빛만을 흡수해 전기를 생산한다. 이런 점에서 투명 태양전지는 모순이라기보다는 오히려 발상의 전환으로 볼 수 있다.

이렇듯 차세대 태양전지에 대한 관심은 증가하고 있지만, 아직 낮은 효율 및 양산기술의 부재 등 당장 상용화를 하기에는 기술적으로 해결해야 할 부분이 남아 있다. 이러한 관점에서 최근 회복세에 들어서고 있는 실리콘 및 박막 기반의 기존 태양전지 시장에 대한 재조명 역시 활발하게 이루어지고 있다. 실제로 정부와 지방자치단체의 적극적인 추진과 지원정책을 바탕으로 국내 태양광발전 설치가 지속적으로 증가하고 있다.

1839년 시작된 태양광발전의 역사

태양광발전을 의미하는 ‘Photovoltaic’이라는 단어는 희랍어에서 빛(light)을 뜻하는 ‘phos’와 이탈리아의 물리학자였던 ‘알레산드로 볼타(Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, 1745~1827)’가 볼트(volt)를 측정한 후 전지를 의미하게 된 ‘voltaic’이라는 말이 합쳐져서 만들어졌다.

태양광발전은 1839년 프랑스의 과학자 ‘에드몽 베크렐(Alexandre-Edmond Becquerel, 1820~1891)’이 ‘광전효과(photoelectric effect)’를 발견한 것이 그 시작이라고 할 수 있다. 이후 1883년 ‘찰스 프리츠(Charles Fritts, 1850~1903)’가 셀레늄(Se) 반도체에 금을 코팅해 1%의 효율을 가지는 태양전지를 발명했다. 이는 실질적인 최초의 태양전지로, 사진기의 노출계 등에 사용됐다. 1921년에는 ‘알베르트 아인슈타인(Albert Einstein, 1879~1955)’이 빛을 전도성 금속에 비추면 전자가 방출되는 광전효과를 발견해 노벨 물리학상을 수상한 바 있다.

현재 태양전지 시장의 주를 이루고 있는 실리콘 태양전지는 1954년 미국의 벨연구소에서 불순물을 도핑(반도체에 불순물을 첨가해 전기적 특성을 얻는 것)하는 기술을 이용해 6% 정도의 효율을 보고하면서 개발됐다. 냉전 당시 우주개발경쟁에서 미국은 인공위성 익스플로러와 뱅가드에 전원공급장치로 태양전지를 사용하기도 했다. 이후 도서벽지 등의 전력원으로 사용되다가 근래에 이르러 기술이 발전하며 태양전지의 효율이 향상되고 그 응용시장도 확대되고 있다. 현재 실리콘 태양전지 모듈의 효율은 17~20% 정도이고, 와트당 0.5~0.9달러 정도의 발전단가를 형성하고 있다.

태양광발전의 핵심은 ‘태양전지’

태양광발전은 태양전지를 이용해 태양빛을 직접 전력으로 변환한다. 광활성 물질 및 소자구조에 따라 여러 종류의 태양전지가 존재하며, 각 종류별 특성도 다르다. 이처럼 다양한 태양전지는 광활성물질, 구조, 작동원리에 따라 크게 1세대, 2세대, 3세대로 분류된다.

1세대 태양전지는 이미 상용화 돼 있는 태양전지로 벌크 실리콘 웨이퍼 태양전지가 대표적이다. 현재 건물이나 태양광 발전단지 등 주변에서 볼 수 있는 대부분의 태양전지가 이에 속한다. 1세대 태양전지는 효율이 높고 양산공정은 물론 원료공급부터 패널설치까지 일련의 과정들이 확립돼 있다. 이러한 장점으로 인해 현재 태양전지 시장의 90% 가까이를 점유하고 있다. 하지만 실리콘 웨이퍼를 수백 미크론(μ, 1μ=100만분의 1m) 두께로 잘라서 태양전지를 제작하기 때문에 실제로 전기 생산에 활용되는 두께(100μ 미만)에 비해 지나치게 많은 실리콘이 소모된다는 단점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 연구․개발되고 있는 2세대 태양전지는 10μ미만으로 얇은 박막물질을 활용해 물질의 활용도를 극대화할 수 있는 박막형 태양전지로, 현재 상용화가 시작됐거나 상용화 준비 단계에 있다. 그 외에 아직 소자 구현 및 개념 검증의 단계에 있는 나노물질 기반 박막태양전지가 3세대로 분류된다.

태양광발전이 친환경 에너지발전방식으로 널리 활용되기 위해서는 결국 태양전지의 효율을 끌어올리는 것이 관건이다. 지구상에서 태양전지가 전기를 생산하는데 기여할 수 있는 태양빛은 전체의 47% 정도로 알려져 있다. 이 중에서 태양전지에 흡수되지 못하고 반사되거나 전기적 손실 등을 감안하면 33.7%만이 전력으로 변환될 수 있다는 것이다. 이를 ‘쇼클리-퀘이서 한계(Shockley-Queisser limit)’라고 하며, 3세대 태양전지는 이 효율을 넘어서는 것을 목표로 하고 있다.

태양광발전의 해결 과제

태양전지의 안정적인 시장 진입을 위해 가장 시급히 해결해야 할 문제 중 하나는 발전단가를 낮추고 안정화시키는 것이다. 발전단가를 낮추기 위해서는 효율을 향상시키거나 생산단가를 낮추는 방법이 있다. 효율을 향상시키기 위해서는 시장 상황과는 별개로 지속적인 연구개발과 이에 따른 투자가 이루어져야 할 것이다. 생산단가를 낮추기 위해서는 실리콘의 경우 기업의 수직계열화를 이루어야 하고, 박막 태양전지의 경우 저가의 신물질 및 신공정을 개발해야 할 것이다.

현재 국내 태양전지 관련 연구개발은 국가 주도하에 꾸준히 증가하고 있다. 반면 기업에서는 위축된 시장상황과 생산성 악화로 인해 기술개발에 대한 투자가 급격히 줄어들고 있다. 이는 결국 시장성과 기술력이 동반 하락하는 악순환을 유발하게 됐다.

태양전지 시장이 겪고 있는 어려움은 기본적으로 시장의 대부분을 차지하는 웨이퍼 실리콘 기반 태양전지의 가격 안정성 부족에서 시작됐다. 하지만 물질 활용도가 높아 좀 더 안정적으로 시장 공급이 가능한 2세대 박막 태양전지 기술개발이 활발히 진행되고 있어 조만간 성공적으로 시장에 진입할 것으로 예상된다.

현재 태양전지 시장은 유럽의 경제위기로 인한 여파로 어려움을 겪고 있다. 하지만 미국, 인도, 아시아 등의 신규시장이 국가 주도하에 지속적으로 성장하고 있기 때문에 향후 유럽의 경제위기가 극복된 후에는 글로벌 태양전지 시장이 부흥할 수 있을 것으로 예상된다.

[글쓴이] 김진영 KIST 광전하이브리드 연구센터 선임연구원


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