3세대 태양전지

과학(Science)/산업 (Industry)

3세대 태양전지

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 3. 20:26

0. 목차

'태양전지'란?
'태양전지'의 세대
'3세대 태양전지'의 종류
'3세대 태양전지'의 원리
'3세대 태양전지' 산업 동향
'3세대 태양전지' 주요 연구 그룹
'3세대 태양전지' 관련 기업

1. '태양전지'란?

'태양전지(Solar Cell)'는 태양으로부터의 '빛 에너지(Light Energy)'를 '광전효과(Photoelectric Effect)'에 의해 '전기 에너지(Electric Energy)'로 변환하는 반도체 소자이다. '태양전지'는 상용화 단계에 따라, '1세대(결정 실리콘 태양전지)', '2세대(박막 태양전지)', '3세대 태양전지'로 분류할 수 있다. 소재의 종류에 따라서는 '실리콘계 태양전지', '화합물 반도체계 태양전지', '유기계 태양전지'로 구분된다.

3세대 태양전지에는 '염료감응 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)', '유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)', '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)', '실리콘 와이어 태양전지(Si-Wire Solar Cell)' 등이 있다. 하지만 아직은 '효율 향상', '안정화', '양산체계 구축' 측면에서 지속적인 연구개발이 필요하다.

태양전지의 종류별로 구조 및 메커니즘에는 차이가 있으나, 기본적인 구동 원리는 'PN 접합(PN Junction)' 구조의 '결정 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Solar Cell)'를 통해 이해할 수 있다. 태양 전지에 태양광이 조사되면 내부에서 '전자(Electron)'와 '정공(Hole)'이 발생하게 되는데, 발생된 전하들은 각 N형 반도체와 P형 반도체로 이동하는 현상에 의해서 '전위차(광기전력)'가 발생하고 이때 '부하(Load)'가 연결되면 전류가 흐르게 되는 원리이다.

2. '태양전지'의 세대

태양전지 분류		세부
1세대 태양전지	결정 실리콘 태양전지 (Crystalline Silicon Solar Cell)	단결정 실리콘 태양전지(Single crystal silicon Solar Cell)
		다결정 실리콘 태양전지(Polycrystalline silicon Solar Cell)
2세대 태양전지	박막 태양전지 (thin-film solar cell)	박막 실리콘(Thin film silicon Solar Cell)
		CIGS 박막 태양전지(Copper indium gallium selenide thin-film Solar Cells)
		CdTe 박막 태양전지(Cadmium telluride thin-film Solar Cells)
3세대 태양전지	-	염료감응 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)
		유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)
		페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)
		실리콘 와이어 태양전지(Si-Wire Solar Cell)

2-1. 1세대 태양전지

'1세대 태양전지'인 '결정 실리콘 태양전지'는 산업 초기에 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)' 향상을 중심으로 기술이 발전하였다. 그리고 시장 경쟁이 치열해짐에 따라 가격경쟁까지 가중되어, 고효율과 저가격을 동시에 만족시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다. 대표적으로 'PERC(Passivated Emitter and Rear Cell)', 'PERL(Passivated Emitter Rear Locally Diffused)', 'IBC(Interdigitated Back COntact)', 'HIT(Heterojunction with Intrinsic Thin-layer)', 'EWT(Emitter Wrap Through)', 'MWT(Metal Wrap Throught)' 등 기존 태양전지 구조를 변경하여 '광전변환효율(PCE)'을 높이는 기술이 개발 및 상용화 중에 있다. 1950년대부터 '결정 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Solar Cell)'의 '광전변환효율(PCE)'은 꾸준히 증가하여 2020년에 26 수준을 시현하였으며, 2017년 일본의 Kaneka에서 HIT 구조를 사용하여 26.7%의 최고 '광전변환효율(PCE)'을 시현하였다.

한편, '결정 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Solar Cell)'는 높은 '광전변환효율(PCE)'과 오랜 기간에 걸쳐 축적된 '공정 기술' 및 '내구성(수명 25년 이상)' 등 많은 장점을 지니고 있다. 그러나 '낮은 흡수 계수(Absorption Coefficient)'로 인해 '입사광(Incident Light)'을 완전히 흡수하려면 200μm 두께 이상의 실리콘 '웨이퍼(Wafer)'가 요구된다. 실리콘의 소모량은 곧 태양전지의 가격을 좌우하기 때문에, '웨이퍼(Wafer)'의 두께를 최소화하면서 '광전변환효율(PCE)'을 높일 수 있는 기술이 연구되고 있다.

2-2. 2세대 태양전지

'2세대 태양전지'인 '박막 태양전지'는 '유리', '금속', '플라스틱' 기판 위에 수 μm 두께의 박막을 증착하여 이를 '광 흡수층(Absorption Layer)'으로 사용한다. 그리고 소재에 따라 '비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Si Solar Cell)', '화합물 반도체' 기반의 'CdTe 태양전지', 'CIGS 태양전지' 등으로 구분된다. '박막 태양전지'는 비교적 단순한 제조공정과 함께 실리콘 기판 대신 유리와 같은 저가의 기판 사용이 가능하여 가격경쟁력 확보에 유리하다.

'비정질 실리콘 태양전지(Amorphous Si Solar Cell)'는 '결정 실리콘 태양전지' 대비 실리콘 소모량이 100분의 1 수준으로, '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'이 낮은 단점에도 불구하고 경제적인 장점으로 인해 초기 '박막 태양전지' 시장을 주도하였다. 그러나 점차 '폴리실리콘(Poly Crystal Silicon)' 가격이 안정세에 접어들면서 경쟁력이 크게 약화되었다. '비정질 실리콘 태양전지'는 낮은 '광전변환효율(PCE)'을 개선하기 위해 '탠덤(Tandem)', '트리플(Triple)' 타입의 적층형 박만 태양전지로 구조 변화를 시도하였으나, 기준 발표된 최고 효율은 2020년 기준, 14% 수준이다.

CdTe 태양전지: 'CdTe 태양전지'는 '카드뮴(Cd)'과 '텔루라이드(Te)' 기반의 태양전지로, '박막 태양전지(Thin-film Solar Cell)' 가운데 생산단가가 가장 낮다. 'CdTe 태양전지'눈 2015년 미국의 '퍼스트 솔라(First Solar)'사에서 22.1%의 최고 효율을 달성하였다. 양산 모듈의 효율은 16%에 가까운 수준으로 미국을 중심으로 대규모 발전용 시장에서 자리매김하고 있다. CdTe는 원소 간 결합력이 강하고, 다른 형태의 화합물을 만들지 않아 증착 등 비교적 간단한 제조 방식으로 '박막'을 형성할 수 있다. 그러나 원자재인 '카드뮴'이 독성물질이기 때문에 유해성 검증이 필요하며, 시장 확대에 한계가 있다. 또 다른 원자재인 '텔루라이드(Te)'는 생산량이 극히 적어 생산 규모 확대에 걸림돌로 작용할 수 있다.
CIGS 태양전지: 'CIGS 태양전지'는 '구리(Cu)', '인듐(In)', '갈륨(Ga)', '셀레늄(Se)' 화합물 기반의 태양전지로, '박막 태양전지' 가운데 '광전변환효율(PCE)'이 가장 우수하다. 2020년 기준, 발표된 최대 효율은 23.4%이다. 그러나 CIGS 태양전지는 4가지 소재의 화합물을 '광 흡수층(Absorption Layer)'으로 이용하기 때문에, 2가지 물질을 사용하는 CdTe 태양전지보다 '박막 증착'이 어렵고 생산단가도 높다. '광 흡수층(Absorption Layer)' 증착을 위해 4가지 소재에 열을 가해 동시에 증착시키는 방법이 사용되고 있으나, 소재 사용률이 낮고, 대면적화에 불리한 단점이 있다. 'CIGS 태양전지'는 '결정 실리콘 태양전지'에 가장 가까운 수준의 '광전변환효율(PCE)' 달성이 가능할 것으로 평가되지만, 아직 대면적화와 대량생산 체계 구축에 대한 해결과제가 남아있다.
GaAs 태양전지: 일반적으로 '화합물계 태양 전지'의 변환 효율은 '단결정 실리콘 태양 전지'보다 약간 낮다. 하지만 GaAs 태양전지는 GaInP, GaAs, Ge 등 서로 다른 밴드갭 물질을 사용해 삼중 접합 구조를 형성함으로써 태양전지 파장 대역에서 최대한 빛을 흡수해 고효율, 고성능의 태양전지를 구현할 수 있다. 실리콘은 우주 방사선에 약한데, 우주 방사선에 잘 견디는 강한 원소를 사용하면 인공위성의 전력원으로 사용할 수 있다. 'GaAs 태양 전지'는 현재 우주용으로 상용화에 성공하여 흑자를 기록하고 있다. 문제는 비싼 원소를 사용해야 하므로, 제조 비용도 비싸다는 점이다. Ga의 희소성 때문에 가격이 매우 높아 대중적으로 사용되기 어렵고, As의 유해성도 지적되고 있다.

2-3. 3세대 태양전지

'1세대 태양전지'는 지속적인 연구 개발로 '그리드 패리티(Grid Parity)'를 달성하면서 상용화에 성공하였으나, 더 이상의 '광전변환효율 향상' 및 '생산단가 절감은 쉽지 않을 것으로 판단된다. '그리드 패리티(Grid Parity)'란 재생에너지의 발전단가가 기존 화석연료의 발전단가가 같아지는 시점을 말한다.

그러나 '3세대 태양전지'는 생산단가가 저렴하여 경제성이 뛰어나며, '유연 모듈을 활용한 다양한 응용성', '원재료 수급의 용이성' 등의 장점으로 시장에서 높은 관심을 받고 있다. 특히 '3세대 태양전지'는 현재 상용화 전 단계에 있는 기술로, 해외 선진기업과의 기술 격차가 작아서 국내 기업에 의한 '핵심소재 개발', '태양전지의 효율 개선', '태양전지의 안정성 향상 기술 개발', '생산 장비 국산화'를 통해 기술 및. 시장 선점이 가능한 분야로 평가받고 있다.

'3세대 태양전지'는 투명하고 유연한 특성으로 인해 '건축자재', '휴대용 기기', '의류' 등 다양한 분야에 적용할 수 있다. 특히 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'는 '높은 광전변환효율'과 '낮은 생산단가'로 인해, '실리콘 태양전지(Silicon Solar Cell)'를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

3. '3세대 태양전지'의 종류

3-1. 염료감응 태양전지(DSSC)

'염료감응 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)'는 금속산화물 반도체 '나노입자(Nano Particle)' 표면에 특수한 '염료(Dye)'를 흡착시키고, 흡착된 염료가 태양광 에너지를 흡수해 '광전기화학적(Photoelectrochemical)' 반응을 유도하는 '태양전지(Solar Cell)'이다. '염료감응 태양전지(DSSC)'는 가시광선을 선택적으로 흡수하는 '염료 고분자', N형 반도체 역할을 하는 '금속 산화물 반도체 나노입자(TiO₂, ZnO, SnO₂ 등)', P형 반도체 역할을 하는 전해질', '촉매용 상대 전극', '투명전극(Transparent Electrode)' 등으로 구성되며, 비교적 간단한 소자 구조를 갖고 있다.

'염료감응 태양전지(DSSC)'의 경우, '태양광 에너지'의 흡수는 '염료(Dye)'가 담당하고, 생성된 '전자-정공(Electron-Hole)'의 분리·이송은 전자 농도 차에 의해 확산하는 방식으로 반도체 '나노입자(Nanoparticle)'에서 이루어진다. '태양광(Sunlight)'이 전지에 입사되면 투명 기판과 '투명 전극(Transparent Electrode)'을 투과한 '광자(Photon)'는 염료에 의해 흡수된다. '염료'는 '태양광 흡수(Solar Absorption)'에 의해 '여기 상태(Exited State)'가 되면서 전자를 생성한다. 그리고 이렇게 생성된 전자는 '금속 산화물(산소와 결합한 각종 금속 화합물의 총칭)' 반도체 나노입자로 이송되어, '투명 전극'을 통해 외부 회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하게 된다. '태양광 흡수'에 의해 산화된 염료는 전해질 용액으로부터 '전자(Electorn)'를 공급받아 원래 상태로 환원된다. 이때 사용되는 전해질은 주로 'I^-', 'I3^-'의 산화·환원 쌍으로, 상대 전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다.

'금속 산화물(Metal Oxide)'은 주로 '나노입자(Nanoparticle)' 또는 '나노튜브(NanoTube)' 형태로 재조하는데, 이는 넓은 표면적을 제공하여 염료 분자의 흡착을 유도하고, 염료에서 생성된 '전자(Electron)'를 전극까지 효율적으로 이동시키기 위함이다. 또한 산화물 전극 내에 존재하는 공극을 연결시켜 전해질의 확산을 용이하게 한다.

'염료감응 태양전지(DSSC)'는 '결정 실리콘 태양전지(1세대 태양전지)' 대비 우수한 가격경쟁력을 가지고 있고, '높은 광 투과도', '유연성' 등의 장점을 가지고 있다. 하지만 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'이 낮고, 장기 안정성이 낮을 뿐만 아니라, 상용화를 위한 대면적화가 상대적으로 어려운 단점이 있다. 이에 산업계에서는 상용화를 위한 '모듈 제조공정 기술의 개발', '모듈 대면적화 기술 개발'을 진행하고 있다. 그리고 이와 관련된 특허 확보 및 수출 모델 구축에 적극적인 활동을 진행하고 있다.

3-2. 유기 태양전지(OPV)

'유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)'는 '양극(Anode)'과 '음극(Cathode)' 사이에 전도성 유기재료를 이용하여 '광 흡수층(Light Absorption Layer)'을 구성한 태양전지이다. '유기 태양전지(OPV)'의 기본적인 구조는 '이중층 구조(Bi-Layer Structure)'와 '복합박막 구조(Bulk Heterojunction)'로 나눌 수 있다.

이중층 구조(Bi-Layer Structure): '이중층 구조'는 높은 '일함수(Work Function)'를 갖는 투명전극인 '인듐주석산화물(ITO: Indium Tin Oxide)'을 '양극(Anode)'으로 하고 낮은 일함수를 갖는 '금속(Metal)'을 '음극(Cathode)'으로 한다. 그리고 이 사이에 '전자 주개 물질(Electron Donor Matter)'과 '전자 받개 물질(Electron Acceptor Matter)'을 층으로 쌓은 형태이다.
복합 박막 구조(Bulk Heterojunction): '복합 박막 구조(Electron Donor Matter)'는 '전자 주개 물질(Electron Acceptor Matter)'과 '전자 받개 물질(Electron Acceptor Matter)'이 '벌크(Bulk)' 상태로 섞여 있는 상태이다. '복합 박막 구조'는 '광 흡수층(Absorption Layer)'의 계면이 넓어 '광전변환효율(PCE)'이 개선되는 장점이 있다.

'유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)'는 태양광을 받으면, '광자(Photon)'의 흡수로 '전자 주개 물질(Electron Donor Matter)'이 여기 상태가 되어 '전자-정공(Electron-Hole)' 쌍이 생성된다. '전자-정공' 쌍이 분리 영역으로 확산되어 전하 분리가 발생하고, '전자(Electron)'는 '전자 받개 물질(Electron Acceptor Matter)'을 통하여 '음극'으로, '정공(Hole)'은 '전자 주개 물질(Electron Acceptor Matter)'을 통하여 양극으로 이동하여 외부로 전류가 흐르게 된다.

'정공수송층(HTL: Hole Transport Layer)'으로는 전도성 고분자인 PEDOT:PSS가 많이 사용되고 있지만, 산성 물질이기 때문에 전극을 열화시키는 단점이 있다. 그래서 이를 해결하기 위한 소재 개발이 이뤄지고 있다. '전자수송층(ETL: Electron Transport Layer)'은 ZnO, TiO₂ 등의 '금속 산화물(Metal Oxide)'이 많이 사용되며, '음극(Cathode)'은 '알루미늄(Al)', '칼슘(Ca)', '불화리튬(LiF)' 등이 주로 사용된다.

'유기 태양전지(OPV)'는 재료가 저렴하고 '인쇄(Printing)'나 '잉크젯(Ink Jet)' 등의 '도포 공정(Application process)'으로 태양전지를 제조할 수 있어 생산 단가가 낮다. 또한 플라스틱 필름 위에도 '박막(Thin Film)'을 형성할 수 있어 '웨어러블 기기(Wearable Device)' 등 다양한 적용이 가능한 장점이 있다. 다만, 상용화를 위해서는 '광전변환효율(PCE)' 및 '안정성' 향상을 위한 유기소재 개발 및 대량생산을 위한 양산 기술의 확보가 필요한 것으로 파악된다.

3-3. 페로브스카이트 태양전지

'페로브스카이트(Perovskite)'라는 명칭은 1839년 우랄산맥에서 발견된 CaTiO3 광물을 연구한 러시아의 광물학자 'L. A. Perovski'의 이름을 따서 지어졌다. 이름의 의미는 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 1:1:3의 비율로 결합한 ABO₃ 화학조성을 가진 결정구조를 의미한다. '페로브스카이트(Perovskite)'는 초기에 금속 산화물 물질로 발견되어 '강유전체(Ferroelectric)', '압전체(Piezoelectric)', '초전도체(Superconductor)' 등으로의 연구가 진행되어 왔다. 그러다 2009년에 일본 도쿄대학교의 '츠토무 미야사카(Tsutomu Miyasaka, 1953~)' 교수 연구팀이 유·무기 복합 페로브스카이트 물질을 태양전지의 '광 흡수층(Absorption Layer)'에 세계 최초로 적용하면서 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'의 개발이 시작되었다.

일본에서 최초로 개발한 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'는 액상 페로브스카이트 결정을 사용해 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'이 3% 수준에 머물러 큰 관심을 받지는 못하였다. 그러다 2012년에 성균관대학교 박남규 교수 연구팀에서 고체 페로브스카이트 결정을 사용해 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'을 9.7%까지 향상시키면서 주목받기 시작하였다.

4. '페로브스카이트 태양전지'의 원리

4-1. '페로브 스카이트 태양전지'의 구동원리

'태양전지(Solar Cell)'에 활용되고 있는 '페로브스카이트(Perovskite)'는 '금속 산화물' 계열이 아닌 유기물과 무기물이 혼합된 형태의 AMX₃ 결정구조를 갖는 물질을 '광 흡수체'로 이용하고 있다. A는 유기양이온 물질로 '메틸암모늄(Methylammonium)' 또는 '포름아미디늄(Formamidinium)'이 주로 사용되고 있다. M은 '금속 산화물(Metal Oxide)'으로, '납(Pb)'이 가장 많이 사용되고 있으며, X는 '할로겐 음이온 물질'로 '아이오다이드(I^-)', '브로마이드(Br^-)' 등이 가장 많이 사용된다.

'유·무기 복합 페로브스카이트 물질'은 '할로겐 음이온'의 종류와 성분에 따라 '밴드갭(Band Gap)'을 조절할 수 있는 특징이 있는데, 이를 통해 태양광의 흡수 영역을 조절함으로써 다양한 색상을 구현할 수 있다. 또 최근에는 '탠덤 태양전지(Tandem Solar Cell)'로 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 '페로브스카이트'는 가시광선 영역에서 높은 광 흡수계수를 갖고 있어, 0.5μm 이하의 얇은 두께에서도 충분한 태양광 에너지를 흡수할 수 있다. 또한 '전자-정공(Electron-Hole)' 쌍의 낮은 결합에너지로 인해 '재결합 손실(Recombination Loss)'이 적어, 고효율 달성이 가능한 것으로 보고되고 있다.

'페로브 스카이트 태양전지'의 구동원리는 '광 흡수층'인 '유·무기 복합 페로브스카이트' 층에서 빛을 흡수하여 '전자-정공(Electron-Hole)' 쌍을 생성한 뒤 내부 전기장에 의해 '전자-정공' 쌍을 분리한다. 전자는 ETL에 의해 수집되고 '정공'은 HTL에 의해 수집된다. 대표적인 유·무기 복합 페로브스카이트 물질로는 'MAPbI₃(CH₃NH₃PbI₃)', 'FAPbI₃[CH(NH₂)₂PbI₃]' 물질이 가장 많이 사용되고 있고, 최근에는 단일물질이 아닌 'MAPbBr₃(CH₃NH₃PbBr₃)' 또는 'FAPbBr₃(CH(NH₂)₂PbBr₃'와 같은 물질을 혼합하여 안정성을 유지하는 연구가 진행되고 있다.

4-2. '페로브스카이트 태양전지' 제조 공정

'페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'의 제조를 위한 기본적인 공정은 아래 그림과 같다. 먼저 '요오드화납' 등을 열처리리해 '페로브스카이트 물질'을 합성하고, 이를 전도성 박막이 형성된 기판에 코팅한다. 이후 '톨루엔(Toluene)'을 균일하게 코팅한 뒤, 약 100℃에서 열처리하면 태양전지용 페로브스카이트 박막이 형성된다. 최종적으로 태양전지 소자로서 작동할 수 있게 전극을 형성한다.

4-3. 탠덤 구조(Tandem Structure)

'3세대 태양전지'는 '결정 실리콘 태양전지(1세대 태양전지)' 대비 소재의 가격이 저렴하고, 공정이 간단하여 가격 경쟁력 측면에서 유리하였다. 그러나 '폴리실리콘(Poly Crystal Silicon)' 가격의 하락과 '공정기술의 성숙'으로 인해, 결정 실리콘 태양전지'가 모듈 효율 22% 수준에서 가격이 떨어지면서, '3세대 태양전지'의 상용화는 더욱 어려워지고 있다. 이에 최근에는 '페로브스카이트'에 다른 태양전지를 결합한 '탠덤 구조(Tandem Structure)'를 통해 결정 실리콘 태양전지를 대체하고자 하는 연구가 진행되고 있다. '탠덤(Tandem)'이란 '다접합' 또는 '적층'을 의미한다.

2020년, 독일의 'HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin)'에서는 '페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지'로 29.1%의 '광전환효율(PCE)'을 기록하였다. 또 2020년에 독일의 '옥스포드 PV(Oxford PV)'사에서 29.5%라는 세계 최고 효율을 발표하였다. 다만 '페로브스카이트 태양전지'의 상용화를 위해서는 '효율 하락' 문제에 대한 해결은 필수적일 것으로 판단된다.

5. '3세대 태양전지' 산업 동향

5-1. 정부 정책에 민감하며, 전후방산업 연관 효과가 높은 산업

오늘날 세계 각국은 지구온난화의 한계를 돌파하기 위한 혁신적인 노력을 진행하고 있다. 이를 위해 새로운 에너지를 찾아내고, 저탄소 기술을 개발함으로써 새로운 산업 혁명을 일으키고 있다. COP21 파리 선언 이후, 선진국에서는 태양 경제의 실현을 위한 신재생에너지 정책을 추진하여 에너지 위기를 극복하고, 동시에 지구온난화 방지를 추구하는 방향으로 나아가고 있다.

미국은 오바마 정부가 2030년까지 이산화탄소 32% 절감을 위한 석탄 화력발전 감축을 요구하는 '청정전력계획', 30여 개 주에서 의무적으로 재생에너지를 공급하도록 하는 '재생 에너지 의무 할당제'인 'RPS(Renewable Energy Portfolio Standard)'를 도입하는 등 신재생 에너지 관련 정책을 펼쳤다. 그러나 '트럼프 정부'는 2017년 6월, 파리 기후협정 탈퇴 의사를 발표하고, 화석에너지 자원의 개발 및 생산의 활성화 정책을 세울 것을 발표하였으며, 오바마 행정부에서 도입된 '석탄 제약 규제'를 전면 재검토하겠다는 방침을 제시하였다.

한국의 경우, 2017년 12월 '신재생에너지 2030 이행 계획'을 발표하고, 향후 2030년까지 신재생에너지 발전량을 20%, 발전용량은 63.8GW로 확대하는 것을 목표로 설정하였다. 또한 2020년 7월 발표한 '한국판 뉴딜 종합 계획'에서는 태양광 보급을 위한 주민참여형 이익공유사업 도입하고, 농촌·산단 융자지원을 확대하며, 주택·상가 등 자가용 신재생설비 설치비를 20만 가구까지 지원할 계획이라고 밝혔다.

5-2. 진입장벽이 높고, 원가경쟁력과 막대한 자본력이 요구되는 산업

'태양전지(Solar Cell)'는 '유·무기', '금속 소재'의 제어를 바탕으로, 전자 이동통로를 구성하여 소자로 구현한 것으로 화학·물리·전자 등에 대한 높은 이해를 요구하는 기술집약적 산업이다. '탠덤 구조(Tandem Structure)', '투명 태양전지', '유연 태양전지' 등으로의 확장이 진행됨에 따라 기술의 난이도는 더욱 높아지고 있으며, 높은 기술적 난이도가 시장 진입장벽으로 작용하고 있다.

또한 '태양전지(Solar Cell)' 산업은 신제품 출시에 따른 가격 상승이 동반되지 않아, 시장 여건 개선 효과는 원가경쟁력을 가진 상위 기업들에게 집중되고 있다. 이에 '원가경쟁력'과 '막대한 자본력'으로 산업의 헤게모니를 확보한 중국이 시장을 주도하고 있다. 태양광 시장 조사업체인 PV InfoLink에 따르면, 2019년 태양광 모듈 생산량 Top10에서 '3위(한화솔루션)'를 제외한 나머지 9개 업체가 모두 '중국 기업'인 것으로 조사되었다. 1위는 '진코솔라(JinkoSolar)'사였고, 2위는 'JA 솔라(JA Solar)'사였다.

5-3. 국내외 태양광 발전 시장현황

'태양광 발전' 시장은 '폴리실리콘(Poly Crystal Silicon)', '잉곳(Ingot)/웨이퍼(Wafer)', '태양전지(Solar Cell)/모듈(Module)', '발전 시스템(Power Generation System)' 등으로 구분할 수 있다. 이 중 '3세대 태양전지'의 경우, 2023년 기준 아직 도입기 단계이다. 특히 '결정 실리콘 태양전지(1세대 태양전지)'를 대체할 것으로 평가받는 '페로브스카이트 태양전지'의 경우에는 아직 상용화에 성공한 기업은 없는 것으로 파악된다. 한국은 세계적인 수준의 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)' 기술력을 보유하고 있어, 한국의 연구진에 의해 시장 선점이 기대된다.

6. '3세대 태양전지' 주요 연구 그룹

국내에서 3세대 태양전지를 연구하는 주요 연구소 및 학교로는 '한국화학연구원(서장원 박사)', '성균관대학교(박남규 교수)', 'UNIST(석상일 교수', '고려대학교(노준홍 교수)', '서울대학교(김진영 교수)', 'KAIST(신병하 교수)', '경희대학교(임상혁 교수)' 등이 있다. 한편, 해외에서 '3세대 태양전지'를 연구하는 주요 연구소 및 학교로는 스위스의 'EPFL(로잔 연방 공과대학교)', 독일의 'HZB', 중국의 'CAS', 미국의 '미국 국립 재생에너지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)', 영국의 '옥스퍼드 대학교(University of Oxford)' 등이 있다

3세대 태양전지 연구	그룹 유형	국적	주요 연구자
한국화학연구원(KRICT)	연구소	한국	서장원 박사
성균관대학교	학교	한국	박남규 교수
UNIST	학교	한국	석상일 교수
고려대학교	학교	한국	노홍준 교수
서울대학교	학교	한국	김진영 교수
KAIST	학교	한국	신병하 교수
경희대학교	학교	한국	임상혁 교수
EPFL(로잔 연방 공과대학교)	학교	스위스	'Gratzel' 교수
HZB(Helmholtz-Zentrum Berlin)	연구소	독일	-
중국과학원(CAS: Chinese Academy of Sciences)	연구소	중국	-
미국 국립 재생에너지 연구소(NREL)	연구소	미국	-
옥스퍼드 대학교	학교	영국	-

6-1. 한국화학연구원(KRICT)

'한국화학연구원(KRICT: Korea Research Institute of Chemical Technology)'은 2013년에 이중층 구조의 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발하였다. 그리고 2014년에는 기존에 사용되든 MAPbI₃ 대신 FAPbI₃ 기반의 페로브스카이튼 물질을 활용하여 17.9%의 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'을 달성해 세계 최고 기록을 경신하였다. 이는 단일 용매도포방법을 이용해 FAPbI₃에 MAPbBR₃를 약 15% 혼합하여 '단락 전류(Short Circuit CUrrent Density, Jsc)' 값을 높인 기술로 현재까지도 가장 범용적으로 사용되고 있다.

이후, '한국화학연구원(KIRCT)'은 '순차적 도포 방법(Sequential Deposition)', '요오드 처리(Iodide Management)', 페로브스카이트 표면 '패시베이션(Passivation)' 기술 등을 개발하여 '광전변환효율'을 향상시켰고, 2017년 22.7%의 '광전변환효율(PCE)'을 기록하여 사용화를 위한 '효율', '안정성', '대면적화' 기술을 확보한 것으로 평가받고 있다.

또 최근에는 'MIT(Massachusetts Institute of Technology)'와의 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지 '광전변환효율(PCE)'을 25.2%까지 끌어올렸고, 2019년 8월 '미국 국립 재생에너지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)'의 '효율 차트'에 세계 최고 효율로 기록되었다. 해당 결과는 상대적으로 저렴한 용액 기술 공정을 도입해 '결정 실리콘 태양전지'와의 효율 격차를 1.5%로 줄인 것으로, 상용화를 위해 한 발짝 더 다가간 것으로 판단된다.

6-2. 로잔 연방 공과대학교(EPFL)

'로잔 연방 공과대학교(EPFL)'은 '3세대 태양전지' 관련 원천특허 및 다수의 핵심 특허를 보유하고 있다. 'Gratzel' 교수 연구팀을 중심으로 '염료감응 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)' 및 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)' 기술을 선도하고 있다. Gratzel' 교수 연구팀은 국내 성균관대학교의 박남규 교수 연구팀과 공동으로 페로브스카이트 성능 개선 연구를 진행하면서 고체 전해질을 적용하였고 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'이 9.7%에 이르는 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.

또한 2013년에는 금속산화물을 이용하여 '다공성 구조(Porous Structure)'를 구현하고, 그 위에 '페로브스카이트(Perovskite)'를 순차적으로 코팅하면서도 균일한 구조를 갖도록 하면서 페로브스카이트 태양전지의 '광전변환효율(PCE)'을 14%까지 상승시켰다. 해당 결과는 '페로브스카이트 태양전지'로는 최초로 '미국 국립 재생에너지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)'의 '효율 차트(Best Research-Cell Efficiencies)'에 등장하였다.

7. '3세대 태양전지' 관련 기업

산업계에서는 독일의 '헬리아텍(Heliateck)', '오비우스(Opvius)', '머크(Merck)', '바우어(Bauer)', 스위스의 '솔라로닉스(Solaronix)', 'G2E', 영국의 'Oxford PV', 'G24 Energy', 호주의 '다이솔(Dyesol)', 일본의 '미쓰비시(Mitsubishi)', '파나소닉(Panasonic)' 등의 업체들이 참여하고 있다. 유럽을 중심으로 '3세대 태양전지' 개발이 활발히 이루어지고 있으며, 실증화 및 상용화가 일부 진행 중이다.

7-1. 옥스포드 포토볼택스(Oxford Photovoltaics)

국적: 영국

'옥스포드 포토볼택스(Oxford PV: Oxford Photovoltaics)'는 2010년 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'가 '히스테리시스(Hysteresis)' 특성을 갖는 것을 최초로 보고한 영국 옥스퍼드대학의 '헨리 제임스 스나이스(Henry James Snaith, 1978~)' 교수 연구실에서 '분사(Spin-out)'해 설립되었다. '옥스포드 포토볼택스(Oxford PV)'는 '페로브스카이트 태양전지' 상용화에 가장 가까운 기업으로 파악된다. '옥스포드 포토볼택스(Oxford PV)'는 2018년 '페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지(Perovskite-Silicon Tandem Solar Cell)'로 28%의 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'을 달성하여 미국의 '미국 국립 재생에너지 연구소(NREL: National Renewable Energy Laboratory)'로부터 공식인증을 받았다.

Oxford PV는 '페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지(Perovskite-Silicon Tandem Solar Cell)'를 상용화하겠다고 발표하였다. 2023년 5월 24일, '옥스포드 포토볼택스(Oxford PV)'는 '프라운호퍼 태양에너지 연구소(Fraunhofer ISE)'에서 진행된 효율 테스트에서 '페로브스카이트-온-실리콘' 탠덤 태양전지로 발전효율 28.6%를 기록했다고 발표하였다. 테스트를 진행한 태양전지는 사용 사이즈인 258.12제곱센티민터 크기의 M4셀로 진행됐다. 28.6%의 효율은 이전에 '옥스포드PV'가 달성한 26.8%의 상업용 셀 효율을 뛰어넘는 수치이다. Oxford PV는 2020년 12월 연구용 셀에서 29.5%의 효율도 기록한 바 있다.

7-2. 헬리아텍(Heliatek)

국적: 독일

'헬리아텍(Heliatek)'은 2006년 독일의 두 대학 '드레스덴 공과 대학교(Technical University of Dresden)'과 '울름 대학교(University of Ulm)'에서 분사해 설립되었다. '헬리아텍(Heliatek)'은 'HeliaSol'이라는 '유기 태양전지(OPV: Organic Photovoltaic)'를 개발하여 상용화하였다. '헬리아텍'은 '롤투롤(Roll-to-Roll)' 공정 기술 개발을 통해 품질 및 생산성이 향상된 OPV 대량생산 기술을 확보하고 있으며, 절연 기술을 개발해 장기 안정성을 확보하였다. 해당 제품은 유연한 특성으로 인해, 주로 곡면 형태의 빌딩 외벽에 적용되고 있다.

7-3. 한화솔루션(Hanwha Solution)

국적: 한국

'한화솔루션(Hanwha Solution)'은 2020년 1월에 '한화케미칼(Hanwha Chemical)', '한화큐셀(Hanwha Qcells)', '한화첨단소재'가 합병되어 설립되었다. '한화솔루션(Hanwha Solution)'은 '모듈&시스템(Module & System)', '다운스트림(Downstream)', '에너지 리테일(Energy Retail)' 사업을 영위하고 있는 글로벌 태양광 토탈 솔루션 기업이다. '한화솔루션'의 큐셀 부문은 2019년 태양광 모듈 생산량 기준으로 세계 3위를 차지하고 있으며, 2023년 기준 '충청북도 음성군', '중국 장쑤성 치둥시', '말레이시아 셀렝고르주 사이버자야'에 태양전지 생산공장이 구축되어 있다.

2012년에 독일 '큐셀(Qcells)' 인수 후, 본격적으로 '다운스트림(Downstream)' 사업에 진출하였으며 'EPC(Engineering, Procurement, Construction)' 수주·건설 사업 위주의 사업 전개를 통해 2019년 말까지 전 세계적으로 2GW의 시공 실적을 보유하고 있다. 다만 EPC 사업의 리스크 대비 낮은 수익성을 해소하고 회사의 중장기 수익성을 제고하기 위해, 2019년부터는 단순 EPC 시공에서 탈피하여 '태양광 발전소' 개발·매각·시공까지 '다운스트림(Downstream)' 전 영역을 아우르는 투자개발형 사업으로의 전환을 진행하고 있다.

7-4. 신성이엔지

국적: 한국

'신성이엔지(SHINSUNG E&G)'는 고효율 태양전지 및 모듈 생산에서부터 발전소 시공까지 수행하는 태양광 토탈 솔루션 기업이다. 충청북도 증평군과 음성군에 태양전지 및 모듈 생산공장을 운영하고 있다. 2016년부터 '3세대 태양전지' 개발을 위해 UNIST 송명훈 교수가 주관하는 '고효율 결정 실리콘/페로브스카이트 탠덤 태양전지 기술 개발' 과제에 참여하고 있으며, 해당 과제를 통해 21.2%의 '광전변환효율(PCE: Power Conversion Efficiency)'을 기록한 것으로 파악된다.

'탠덤 태양전지(Tandem Solar Cell)'는 '광 흡수율'을 높이기 위해 성질이 다른 반도체를 연속적으로 쌓은 전지이다. 공동연구팀은 생산단가가 낮은 '실리콘 태양전지' 위에 '페로브스카이트 태양전지'를 접합해 고효율과 가격경쟁력을 확보하고자 노력하고 있다. 아직은 연구개발 단계로, 상용화까지는 시간이 다소 소요될 전망이며, 동일 기술을 개발중인 'Oxford PV', '한화솔루션' 등과의 경쟁이 예상된다.

7-5. 유니테스트(UniTest)

국적: 한국
설립: 2000년

'유니테스트(UniTest)'는 반도체 검사 장비 개발·제조를 목적으로 설립되었고, 2011년에 신재생에너지 설비 설치 전문기업으로 선정되면서 태양광 사업을 시작하였다. '유니테스트'는 '태양광 인버터(Solar Inverter)', 온도와 일사량을 알려주는 '기상관측반', 채널 감시 통신 모듈과 접속 모듈을 포함한 '접속반', 발전 시스템의 정보를 표시나는 '모니터링 시스템(Monitoring System)'을 자체적으로 개발하였고, 태양광 발전시스템 EPC 사업까지 수행하고 있다.

'유니테스트'는 태양전지 사업에 진출하기 위해, 2016년에 '한국화학연구원(KRICT: Korea Research Institute of Chemical Technology)'으로부터 저온 용액공정 기반의 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)' 기술을 이전받았다. '유니테스트'는 2016년부터 지속적인 연구개발을 통해 '페로브스카이트 태양전지'의 '양산 공정 기술'과 '대면적 모듈 제작 기술'을 확보한 것으로 알려졌다. 또한 유니테스트는 2019년 11월 '페로브스카이트 태양전지' 모듈의 '광전변환효율'을 14.8%까지 끌어올려 'Sub-module(200~800cm²)' 분야에서 세계 최고 효율을 'NREL(National Renewable Energy Laboratory)'로부터 인정받았다.

2020년 8월 26일에는 한국전력공사 전력연구원과 유리창호형 페로브스카이트 태양전지 사업화를 위한 '업무협약(MOU)'를 체결하였다고 발표하였다. '페로브스카이트 태양전지'는 반투명하고, 무게가 가벼워 건물의 외벽이나 유리창 등에 부착이 가능한데, 국토 면적이 좁고 고층 건물이 많은 한국의 환경에 적용 시 사업성이 있을 것으로 평가된다. 공동연구팀은 향후 상용화를 통해 20층 빌딩에 적용 시 200kW급 이상의 전력 생산이 가능할 것으로 설명하였다.

7-6. 동진쎄미켐

국적: 한국

'동진쎄미켐(Dongjin Semichem)'은 2008년 '한국과학기술연구원(KIST: Korea Institute of Science and Technology)' 태양전지연구센터로부터 '염료감응 태양전지(DSSC: Dye Sensitized Solar Cell)' 기술을 이전 받았다. '동진쎄미켐'은 신성장동력이 되는 고부가가치 사업구조를 구축하고 기존의 발포제와 반도체 및 디스플레이용 감광액 등 전자재료 위주의 사업구조에서 벗어나고, '염료감응 태양전지(DSSC)'를 핵심 연구 분야로 선정하여 상용화를 위해 노력하고 있다. 그러나 '결정 실리콘 태양전지'의 모듈 가격이 저렴해진 상황에서, '염료감응 태양전지(DSSC)'가 사업성이 있을지는 의문이다.

7-7. LG전자

국적: 한국

'LG전자'는 미국에 대규모 태양광 모듈 생산라인 구축에 돌입하는 등 '태양전지(Solar Cell)'에 투자를 아끼지 않고 있다. LG전자의 태양광 사업은 독일의 '인터솔라(Inter Solar)', 중국과 일본 업체들을 제치고, 아시아 최초 3연속 최고상을 수상할 정도로 기술력을 인정받았다. 2019년 기준, LG전자의 태양광 모듈의 효율성은 평균 21.1%로, '초고효율 모듈 N타입 단결정(72셀)'과 '고효율 모듈 P타입 단결정(54셀, 72셀)' 등 2종이 주력 모델이다.

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