결정형 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. 결정형 태양전지

결정질 실리콘 태양전지는 단결정과 다결정으로 나뉘며, 단결정 실리콘 태양전지는 순도가 높고 결정 결함밀도가 낮아 효율이 높지만 고가이다. 다결정 실리콘 태양전지는 상대적으로 품위가 낮아 효율은 떨어지지만 제조가 쉽고 저가로 생산할 수 있는 장점이 있어 실리콘 태양전지 수요의 80%를 차지하고 있다. 

 

현재 상용화된 통상적인 결정질 실리콘 태양전지는 P-type의 실리콘 기판에 전극이 screen print된 형태로, 단결정 태양전지의 평균 효율은 18~19%, 다결정은 16~17%의 효율을 보이고 있다.

결정질 실리콘 태양전지 시장은 중국의 저가 공략으로 중국 기업이 시장의 대부분을 점유하고 있어, 대부분의 기업에서는 N-type, PERC(Passivated Emitter and Rear Contact), 후면전극, HIT(Heterojunction with Intrinsic Thinlayer)등 고효율 태양전지 중심으로 개발하고 있다. LG전자는 N-type 단결정 양면수광형 셀을 개발하여 22%의 효율을 달성하였으며, 일본의 Panasonic는 21~22% 수준의 N-type HIT 셀을, 미국의 Sunpower사는 22~23% 수준의 N-type IBC(Interdigitated Back Contact) 셀을 생산하고 있다.

 

아래 표는 최근 10년간 태양전지 종류별 세계 최고의 모듈 효율 현황과 상용화된 태양전지의 기술별 효율 현황을 나타내고 있다.

 

 

<표>상용화된 태양광기술의 효율 현황

 

 

 

국내의 경우, 2012년 전후로 계속되는 업계 구조조정의 영향이 아직도 일부 진행 중이나, 결정질 실리콘 태양전지 분야 업체들이 수익성 개선에 따른 증설 등의 순조로운 진행으로 실리콘 소재, 단결정 기판과 태양전지, 태양광 모듈, 시스템 및 시공 관련 분야에서 설계 및 생산 기술의 국산화율과 해외 선진 기업 대비 국내기업의 기술수준 등에서 모두 높은 것으로 분석되고 있다. 

 

2008년 이후 지속되어온 선진국 기술을 따라하던 방식에서 벗어나 고효율 셀/모듈 기술에서 선진국을 추월하고, 중국대비 원가경쟁력을 갖추기 위한 연구개발과 함께 실증개발 또는 보급과 연계한 시장대응 지원프로그램도 매우 활발히 진행 중이며 일부에서 성공사례가 아래와 같이 발표되고 있다.

 

 

- PERL(Passivated Emitter, Rear Locally-Diffused Cell) 구조를 적용한 고효율 셀/모듈 기술 개발 진행 중 (신성솔라에너지, 셀 효율 22% 달성 목표)

- 반도체 및 디스플레이 부문의 장비 산업 경험을 통해 축적된 기술을 태양전지 제조기술에 적용하기 위한 기술 개발 완료 및 고효율 장비 개발(디엠에스)

- 디자인적 요소가 가미된 건축 외장형 대면적(4㎡이상) BIPV 시스템(20kW 태양전지 실증) 상용화 개발 (이건창호)

- 6인치 N-type 120㎛ 박형 태양전지 실리콘 웨이퍼 제조공정 기술개발 (SKC솔믹스)

- SoC기반 보급형 발전효율 95%이상 고효율, ＄0.3/W이하 저가형 MiC 스마트 태양광 발전 시스템 개발 (다쓰테크)

- 중동지역 사막형 태양광 특수발전 시스템 및 비즈니스모델(BM)개발 (광명전기)

 

 

 

아래 표는 현재 개발되고 있는 다양한 구조의 결정질 실리콘 태양전지의 종류와 특성을 비교한 것이다.

 

 

 

<표> 결정질 실리콘 태양전지의 특성 비교

 

 

 

 

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

 

 

 

 

 

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