태양광 발전

과학(Science)/산업 (Industry)

태양광 발전

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 3. 19:55

0. 목차

'태양광 발전'이란?
태양전지 패널
태양광 발전의 메커니즘
'태양전지'의 재료
'태양전지'의 종류
축전(Capacitance)
'태양광 발전' 기술 발전 방향
'태양광 발전' 관련 기업

1. '태양광 발전'이란?

지구에 내리쬐는 태양 에너지의 양은 약 18만 TW(테라와트)에 이른다. tera는 '1조'를 의미하며, Watt는 1초 동안에 소비하는 전력 에너지를 말한다. 만약 이 에너지를 모두 전기로 바꿀 수 있다면, 단 1시간의 일사량으로 전 인류가 소비하는 1년 동안의 에너지를 공급할 수 있다. 그 에너지의 양은 거의 무한에 가깝다고 할 수 있다. '태양광 발전'은 빛에너지를 전기로 바꾸는 것으로, '태양전지(Solar Cell)'라는 패널을 써서 전기를 만드는 시스템이다. 태양광이 패널에 닿으면 전자의 흐름이 발생하는데, 이에 따라 전류가 발생한다.

현재 세계 각국에서는 태양광 발전을 더욱 확대시키기 위해, 여러 가지 촉진 대책을 마련해 실시하고 있다. 예컨대, 태양광 발전으로 생산한 전기를 전력 회사가 사들이는 제도, 보조금을 지급하는 제도, 발전 사업자에게 태양광 발전을 의무화하는 제도 등이 있다.

1-1. 태양광 발전의 특징

에너지원이 거의 무한하다: 태양광 발전의 가장 중요한 특징은 에너지원이 사실상 무한하다는 것이다. 화력 발전의 경우, 석유 등의 화석 연료를 사용한다. 화석 연료는 언젠가는 고갈될 유한한 연료이다. 원자력 발전의 경우, 연료가 되는 우라늄도 언젠가 고갈된다.
이산화탄소 배출이 거의 없다: 또 이산화탄소를 거의 배출하지 않아, 지구 온난화 대책의 유력한 수단이 된다. 태양광 발전에서 이산화탄소를 배출하는 경우는 보수하거나 폐기할 때뿐이다.
에너지 손실률이 적다: 또 화력 발전의 경우 연료의 에너지양을 100%라고 한다면, 발전할 때 방출되는 열이 나 송전 때의 손실로 약 65%가 가정에 도달하기 전에 사라진다. 결과적으로, 실제로 집에서 쓸 수 있는 전력은 35% 정도이다. 한편, 태양광 발전의 경우, 지붕 위에서 발전한 양의 90%가 가정 안에서 사용된다. 10% 정도 사라지는 것은 직류를 교류로 변환할 때 손실되기 때문이다. 하지만 발전 장소와 사용 장소의 거리가 짧기 때문에 송전 손실이 거의 생기지 않는다.
관리가 거의 필요 없다: 태양광 발전 시스템을 한번 구축하면, 화석 연료를 통한 발전과는 달리 연료를 추가로 공급할 필요가 없다는 큰 장점이 있다. 보수 관리도 거의 필요 없어, 일단 만드어 놓으면 유지에 들어가는 비용은 거의 없다.
기후 변화에 약하다: 반면, 태양광이 공급되지 않는 밤에는 발전할 수 없고, 기후에 따라 발전량이 크게 변한다는 단점도 있다. 그래서 태양광 발전의 전력만으로는 생활하기는 어렵다. 결국, 다른 발전 방법을 보완하거나 '축전지(Storage Battery)'를 사용해야만 한다. 축전지를 이용해, 낮의 발전량을 일부 저장해 두었다가 밤에 전기를 사용할 수 있지만, 이마저도 단점이 있다. 축전할 때 방전이 일어나고, 축전지를 별도로 구매해서 설치해야 하며, 축전지의 수명도 한계가 있다.
넓은 면적이 필요하다: 또 많은 전력을 생산하려면, 대용량의 발전을 하려면 대규모의 '태양전지'가 필요와 대규모의 면적이 필요하다. 그래서 가정용이 아닌 대규모 태양광 발전 시스템을 구축하는 데에는 '환경 파괴'같은 문제도 발생한다.
아직은 발전 단가가 비싸다: 또 아직까지는 발전 단가가 비싸다는 문제도 남아 있다. 하지만 태양광 발전 단가는 계속 떨어지고 있다.

1-2. 태양광 발전의 구조

태양광 발전에는 크게 '태양전지 패널(모듈)', '인버터(Inverter)', '분전반(Cabinet Panel)', '구입 전기 계량기', '판매 전기 계량기'의 다섯 부분이 필요하다.

태양전지 패널(모듈): '태양광 발전 시스템'의 핵심을 맡고 있으며, 태양광 에너지를 전류로 만들어 주는 '발전 장치'이다. 재료와 성능, 크기는 제조업체에 따라 차이가 있다.
인버터(inverter): '직류'에서 '교류'로 바꿔주는 역할을 한다. 태양전지에서 발전하는 전류는 '직류'인데, 이것을 가정에서 사용할 수 있도록 하거나 전선으로 보내기 위해서는, 전류를 '교류'로 바꾸어 줘야 한다.
분전반(cabinet panel): 가정에서 사용하는 것과 전선으로 보내는 것을 나누는 역할을 한다. '인버터'와 '분전반'은 전기 매매를 제어하는 역할을 하며, 이 둘이 합쳐져 '컨디셔너'로 판매되는 경우도 많다.
구입 전기 계량기: 전력 회사에서 구입하는 전기량을 기록하는 용도로 사용된다.
판매 전기 계량기: 전력 회사에서 판매한 전기량을 기록하 기록하는 용도로 사용된다.

2. 태양전지 패널

'태양전지(Solar Cell)'의 원형은 1954년 미국의 '벨 연구소(Bell Lab)'에서 발명되었다. '벨 연구소'는 미국의 전화 통신에 관한 연구와 개발하는 기관이다. 당시, 태양전지는 미국 대륙 내부의 황야에 있는 통신 기지의 전원용으로 만들어졌다.

모듈(Module): '태양광 발전 시스템(Solar Power System)'의 핵심은 '태양전지 패널(Solar Cell Panel)'이다. 태양광 발전을 시작하려면, 일반 주택의 경우 지붕에 패널이 몇 장 내지 수십 장씩 올라가게 되는데, 이 패널 한 장씩을 '모듈(Module)'이라고 한다. 모듈의 표면에는 날아오는 작은 돌멩이나 새똥 등의 낙하물로부터 셀을 보호하기 위해 유리가 씌워져 있다. 모듈은 '가대'라는 구조물에 의해 지붕에 부착된다. '모듈'은 가로 세로 약 1m에 두께 몇 cm의 크기로, 무게는 10kg에서 약간 모자라는 정도이다. 실제로 주택용 태양전지를 설치할 경우, 모듈 단위로 구입한다.
셀(Cell): 모듈 안에는 다시 가로 세로 15cm, 두께 0.2mm의 작은 판이 수십 개씩 늘어서 있다. '이 판은 '마이크로미터(μm)' 단위 이하의 두께를 가진 것도 있다. 이 작은 판이 태양전지의 본체로 '셀(Cell)'이라고 불리는데, 이 셀에서 실제 발전이 이루어진다. 셀은 대게 위쪽이 음극이고 아래쪽이 양극이다. 셀 1개에서 발생하는 전압은 약 0.5V로, 시판되는 보통 건전지보다 낮다. 그래서 여러 장을 직렬로 연결함으로써 전압을 올린다. 윗면에서 이웃한 셀의 아랫면으로 '도선(Electric Wire)'을 통해 여러 장을 직렬로 연결함으로써 전압을 올린다. 한국의 일반 주택용 콘센트의 전압은 220V이다.

2-2. 태양전지는 2층 구조로 되어 있다.

현재 가장 많이 보급되는 셀 재료는 '규소(Silicon)' 결정이다. 그래서 '결정 실리콘 태양전지'라고 하고, 줄여서 '결정계'라고 하는 경우도 있다. '결정 실리콘 태양전지'의 셀 내부는 실리콘 속에 들어가는 불순물의 종류에 따라, 상하 2층 구조로 되어있다. 불순물의 정체는 '인(P, 원자 번호 15번)'과 '붕소(B, 원자 번호 5번)'의 원자로, 실리콘 속에 '10만 분의 1'~'100만 분의 1'의 비율로 들어가 있다. 이 불순물에 의해, 100% 순수한 실리콘 결정보다 전자의 수가 여분으로 있는 위층과, 전자가 부족한 아래층으로 나누어진다. 위층에는 자유로이 움직이는 전자인 '자유 전자(Free Electron)'의 수가 많은데, 위층의 것을 'n형 반도체'라고 한다. 반대로 아래층은 전자가 부족해 전자의 '빈자리'가 있는데, 아래층의 것을 'p형 반도체라고 한다. 이 전자의 빈자리를 '양공(전자의 빈자리로서 양의 전하를 띈 입자와 같은 역할을 하는 가상의 입자)'이라고 부른다.

2-3. 자유전자와 양공

'원자(Atom)'는 그 종류에 따라 '원자핵(Atomic Nucleus)' 주위에 일정한 수의 전자가 존재한다. '전자(Electron)'의 궤도는 양파의 껍질처럼 여러 개가 겹쳐 있는데, 여러 원자가 결합할 때 중요한 것은 가장 바깥쪽 궤도에 있는 전자이다.

'실리콘(Si, 원자 번호 14번)' 원자의 가장 바깥쪽 껍질에는 전자가 4개 있다. 그런데 위층의 불순물 역할을 하는 '인(P, 원자 번호 15번)'의 가장 바깥쪽 껍질에 있는 전자는 5개로, 실리콘보다 1개가 많다. 그래서 위층에 포함된 인 원자 하나당 전자가 하나 더 많이 존재하게 된다. 즉, 인 원자가 많이 섞일수록 실리콘 100%인 결정보다 전자가 많아진다. 이 여분의 전자는 실리콘 결정 안에서 자리 잡을 장소가 없어서 '자유 전자(Free Electron)'의 상태로 위층 안을 돌아다닌다. 반면, 아래층의 불순물은 '붕소(B, 원자 번호 5번)'이다. 붕소의 가장 바깥쪽 껍질의 전자는 3개로 실리콘보다 하나가 적다. 이 때문에 아래층에는 실리콘에는 없는 전자의 '빈자리'가 붕소마다 하나씩 존재하게 된다. 이 빈자리를 '양공(hole)'이라고 한다.

3. '태양광 발전'의 메커니즘

전기 제품은 '전류(전기의 흐름)'에 의해 작동한다. '전류(Electric Current)'란 '자유 전자의 흐름'이다. 단, '전류의 방향'과 '자유 전자의 흐름의 방향'은 반대 방향으로 정의되어 있다. '태양전지(Solar Cell)'의 주 재료인 '실리콘(Silicon)'에는 빛을 쬐면 실리콘의 전자가 본래의 궤도를 이탈하는 독특한 성질이 있다. 태양전지가 빛을 받아 다른 바깥 회로로 자유 전자를 밀어내면 '전자의 빈자리(홀)'로 이동하는 자유전자의 일정 방향의 흐름이 생기게 되는 것이다.

태양전지의 셀은 상하 2층으로 나누어져 있는데, 빛을 쬐지 않는 상태에서 '위층(n형 반도체)'에는 '자유 전자(Free Electron)'가 있고 '아래층(p형 반도체)'에는 '홀'이 있다. 또 n형 반도체와 p형 반도체가 접한 면에는 자유 전자도 홀도 없는 접합면인 'pn 접합'이 있다. pn 접합은 위층에 있던 자유 전자가 아래층의 홀을 매워 생긴 것으로, 이 면이 벽이 되어 셀 내부에서의 자유 전자와 홀의 이동을 막는다. pn 접합은 전압을 걸면 한쪽 방향으로 전기가 흐르는데, 태양전지는 태양광으로 이 전압을 만든다. pn 접합이 없으면, 빛을 쬐어도 전기를 외부로 끌어내기 어렵다.

pn 접합이 있음으로써 위층에는 자유 전자가 안정적으로 존재하고, 아래층에 홀이 안정적으로 존재한다. 그러다가 pn 접합에 빛이 내리쬐면, 새로 생긴 자유 전자가 안정적으로 존재하기 위해 위층으로 이동하고, 마찬가지로 홀은 아래층으로 이동한다. 이것이 반복되면 위층에는 자유 전자가 모이고, 아래층에는 홀이 모인다. 이 상태에서 바깥 회로를 연결하면 대량의 자유 전자가 밖의 회로를 통에 위층에서 아래층으로 흘러들어간다. 이것이 전류(전기의 흐름)이다. 방금 설명한 pn 접합을 중심으로 하는 태양전지의 구조를 '결정 실리콘 태양전지'라고 부른다. 다른 종류의 태양전지도 많은데, 자세한 내용은 뒤에서 소개한다.

4. '태양전지'의 재료

4-1. '결정 실리콘 태양전지'의 주재료는 실리콘

태양전지의 주재료로 '실리콘(Silicon)'이 사용되는 이유는 실리콘이 '반도체(Semiconductor)'이기 때문이다. '반도체'란 원래 전기가 거의 통하지 않지만 빛이나 열 또는 불순물을 가해 주면 전기가 통하는(자유 전자가 생기는) 물질이다. 반도체 가운데 '자유 전자'가 많은 것을 'n형 반도체', '양공(hole)'이 많은 것을 'p형 반도체'라고 한다.

실리콘이 전자 회로의 재료로 사용된지는 60년 이상 되어, 그만큼 효율적으로 '자유 전자'를 발생시키는 방법도 많이 연구되어 있다. 실리콘 외에 반도체로 쓰이는 재료 중에는 '게르마늄(Ge, 원자 번호 32번)', '탄소(C, 원자 번호 4번)'이 있다. 하지만 게르마늄은 지구에 존재하는 양이 실리콘의 18만 분의 1에 불과하고, 탄소는 게르마늄보다 양이 더 적다. 실리콘은 지구상에서 산소 다음으로 매우 흔한 물질이기 때문에 실리콘을 반도체에 가장 많이 쓰고 있다.

태양전지의 주재료가 되는 실리콘은 지구의 '지각(Earth Crust)' 가운데 약 28%나 차지하고 있다. 주로 산소와 결합해 이산화규소의 형태로 모래나 암석에 포함되어 있다. 순도를 따지지 않는다면 우리 주변의 진흙에서도 어느 정도 실리콘이 포함되어 있다. 매장량 1위의 산소는 실리콘(규소)와 화합한 이산화규소 외에 산화철이나 산화마그네슘 등 화합물의 상태로 존재한다.

지각에 실리콘의 비율이 이렇게 높지만, 최근에는 세계적으로 실리콘의 '부족'이 문제가 되고 있다. 거의 무한하다고도 말할 수 있는 실리콘이 왜 부족할까? 그 이유는 '태양전지'에 사용되는 실리콘의 경우 99.9999% 이상의 순도가 요구되기 때문이다. 실리콘은 자연에서 이산화규소의 형태로 존재하며, 그 결정에는 다양한 불순물이 들어 있다. 이것을 제거하기 위해서는 특수한 노 등 전용 장치를 갖춘 공장이 필요하다. 이 공장에서 생산되는 고순도 실리콘의 양이 세계 수요에 미치지 못하고 있다는 뜻이다.

원소	매장량
산소(O)	46.4%
실리콘(Si)	28.2%
알루미늄(Al)	8.2%
철(Fe)	5.6%
칼슘(Ca)	4.2%

4-2. '단결정 실리콘 태양전지'와 '다결정 실리콘 태양전지'

'결정 실리콘'을 재료로 하는 태양전지는 '단결정 실리콘 태양전지(Single crystal silicon Solar Cell)'와 '다결정 실리콘 태양전지(Polycrystalline silicon Solar Cell)' 2종이 있다. 미량의 '인(P, 원자번호 15번)'이나 '붕소(B, 원자번호 5번)'를 가하는 것만으로 2종의 성질을 가진 반도체를 만들 수 있는 점도 실리콘의 특징 중 하나이다.

단결정 실리콘 태양전지(Single crystal silicon Solar Cell): '단결정 실리콘 태양전지'는 셀 전체가 실리콘 결정으로 이루어진 태양전지이다. 태양전지의 성능을 나타내는 '변환 효율'은 최대 25.0%이다. 실제 효율도 태양전지 가운데 최대이다. 다만, 효율이 좋은 만큼 가격이 비싸다는 단점이 있다.
다결정 실리콘 태양전지(Polycrystalline silicon Solar Cell): '다결정 실리콘 태양전지'는 셀 안에 작은 실리콘 결정이 여러 개 들어 있는 태양전지이다. 단결정 실리콘 태양전지보다는 효율이 떨어진다. 왜냐하면, 자유전자가 셀 안을 이동할 때 결정과 결정의 경계에서 붙잡혀 그만큼 성능이 떨어지기 때문이다. 하지만 대량 생산이 가능해, 제품 가격이 상대적으로 싸다는 장점이 있다.

5. '태양전지'의 종류

지금까지는 '결정 실리콘'을 이용한 태양전지를 중심으로 이야기했다. 그 이유는 '결정 실리콘 태양전지'가 가장 역사가 깊고 널리 보급되어 왔기 때문이다.

하지만 실제 태양전지의 종류는 '결정 실리콘 태양전지' 이외에도 10가지가 넘는다. 실리콘의 사용량을 줄인 '박막 실리콘 태양전지'나 실리콘 이외의 물질한 '화합물계 태양전지', 그리고 색깔의 다채로움을 특징으로 하는 '염료 감응 태양전지', 태양전지의 가격을 크게 떨어뜨릴 가능성을 가진 '유기 박막 태양전지' 그리고 '페로브스카이트 태양전지'도 등장했다. 각각의 태양전지들은 장단점을 가지고 있어, 태양전지의 특징을 알아 두면, 자신의 목적에 알맞은 제품을 선택할 수 있다.

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 태양전지(Thin film silicon Solar Cell)
		화합물계 태양전지	CIGS 박막 태양전지(Copper indium gallium selenide thin-film Solar Cells)
			CdTe 박막 태양전지(Cadmium telluride thin-film Solar Cells)
			GaAs 박막 태양전지
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)

5-1. 박막 실리콘 태양전지 (비결정 실리콘 태양전지)

태양전지의 핵심이 되는 부분은 'pn 접합'이라고 설명했다. 극단적으로 말하면, pn 접합과 그 아래위에 약간의 실리콘층만 있으면, 발전이 가능하다. 이 사실에 주목하여, 실리콘의 두께를 극단적으로 얇게 만든 것이 '박막 실리콘 태양전지(Thin Film Silicon Solar Cell)'이다. '결정 실리콘 태양전지'의 셀은 200~300 μm(마이크로미터)의 두께인데, 이것을 더 얇게 하는 방법이 1976년에 발명되었다. 그 방법은 실리콘을 가스 상태로 했다가 유리 등의 기판 위에 원자 수준으로 내뿜어 붙이는 방법이다. 이렇게 하면 태양전지의 실리콘 두께를 0.3~2μm 정도로 만들 수 있으며, 사용되는 실리콘 양을 100분의 1 이하로 줄일 수 있어 제조 비용이 낮다. 하지만 내부는 결정 실리콘과는 달리 원자가 규칙적으로 늘어서지 않고, 배열이 흐트러져 있다. 이 상태를 '비결정성(Amorphous)'이라 하고, 이러한 태양전지를 '비결정 실리콘 태양전지'라고도 한다. 그런데 이 배열의 불규칙성이 전자의 흐름을 방해해, 변환 효율이 결정 실리콘보다 크게 낮다.

'박막 실리콘 태양전지(비결정 실리콘 태양전지)'는 가스를 내뿜어 만들기 때문에 넓은 면적의 기판에도 태양전지를 붙일 수 있다. 그래서 넓은 면적의 태양전지를 만드는 것이 가능하다. 하지만 아무리 크기가 커져도 태양전지가 하나인 것과 다름없기 때문에, 그대로는 전압이 낮아 사용할 수 없다. 이것은 마치 건전지가 크기가 작거나 커도 모두 전압이 1.5V인 것과 비슷하다. 그러면, 어떻게 해야 이를 실용화할 수 있을까? 레이저로 여러 개의 셀로 잘라, 그것을 직렬 구조로 만들어 이용하면 된다. 그리고 이 경우, 결정 실리콘과 달리 아래층이 n형이 된다. (제조 공정상 불순물 없는 실리콘 가스가 기판 아래에서 붙기 때문) pn 접합에 해당하는 층으로는 순수한 비결정 실리콘 층을 사용한다. 빛이 비결정 실리콘의 pn 접합에 해당하는 층에 내리쬐면, 자유 전자가 아래층 쪽(n형 반도체 쪽)으로 나온다. 그 후, 전극을 지나 이웃한 셀의 p형 반도체에 흘러 들어간다. 이렇게 하면 기판의 크기에 따라 수백 V의 전압도 만들어낼 수 있다.

'박막 실리콘 태양전지'는 얇기 때문에 구멍을 뚫기 쉽다. 그래서 전체적으로 10% 이상 구멍을 내 반대쪽의 모습이 보이는 투명한 태양전지를 만들 수 있다. 물론 이렇게 하면 발전량은 낮아진다. 하지만 이렇게 만든 투명형 태양전지라면, 창문에 설치할 수도 있다.

박막 실리콘 태양전지 (Thin-film silicon solar cell)

5-2. 화합물계 태양전지

'태양전지(Solar Cell)'에서 반드시 실리콘이 필요한 것은 아니다. 독립적으로는 반도체의 성질을 갖지 않는 원소도 조합하는 조건에 따라 실리콘과 같은 반도체의 성질을 갖는다. 실리콘 이외의 물질을 섞어서 생기는 태양전지를 '화합물계 태양전지'라고 부른다. 시판되는 '화합물계 태양전지'에 사용되는 재료는 '구리(Cu), '갈륨(Ga)', '카드뮴(Cd)', '인듐(In)', '비소(As)', '셀레늄(Se)', '텔루륨(Te)' 등이 있다. 이를테면 'CIS 태양전지'는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)이 조합된 것이고, 'CdTe 태양전지'는 카드뮴(Cd)과 '텔루륨(Te)이 조합된 것이다.

5-3. 염료 감응 태양전지

스위스 연방공과대학의 '미하엘 그래첼(Michael Graetzel, 1944~)' 교수가 1991년에 개발한 '염료 감응 태양전지(DSSC: Dye-sensitized solar cell)'는 에너지 변환 효율이 높다. 이 태양전지는 실리콘 태양전지나 화합물계 태양전지와는 달리 pn 접합을 사용하지 않는다. pn 접합을 쓰지 않는 대신 '산화타이타늄(titanium dioxide)'의 입자를 색소로 착색에 전해질 용액 안에 넣는다. 색소에 빛이 닿으면 '전자(Electron)'와 '홀(Hole)'이 생기고, 전자는 산화타이타늄에 흡수되어 전극에서 바깥의 회로로 나온다. 전기 제품을 거쳐 되돌아온 전자는 전해질 용액을 거쳐 색소로 들어간다.

'염료 감응 태양전지(DSSC: Dye-sensitized solar cell)'는 반도체 산화물 표면에 붙어 있는 염료가 빛을 받아 산화물에 넘겨줄 때 전기를 생산한다. '염료 감응 태양전지(DSSC)'는 다양한 형태로 가공하기가 쉬워 주목받고 있다. 전극 기판 재료나 색소를 바꾸면, 형상이나 색채를 다양하게 할 수 있다. 예컨대, 기판을 유리에서 플라스틱 필름으로 바꾸면 유연하게 할 수 있고, 실내 등 빛이 약한 장소에서도 발전을 할 수 있다. 따라서 지붕 이외에 노트북, 스마트폰, 시계, 창문, 실내 장식 등 디자인이 요구되지만 전력이 크게 필요하지 않는 곳에 '염료 감응 태양전지(DSSC)'를 이용할 수 있다. 제조 원가가 낮고, 만들 때 이산화탄소의 배출 양도 작다는 점도 장점이다. 하지만 내구성이 약해서 상품화가 빠르게 진행되지 않고 있다. 그래서 내구성을 높이기 위한 연구도 진행중이다.

5-4. 유기 박막 태양전지

'유기 박막 태양전지(Organic Thin Film Solar Cells)'는 가격 파괴를 노리는 차세대 태양전지로, '염료 감응 태양전지(DSSC: Dye-sensitized solar cell)'보다 더 저렴한 가격으로 판매될 가능성도 있다. '유기 박막 태양전지'의 가장 큰 장점은 커다란 '유기 반도체'를 인쇄하듯 인쇄기로 찍어내 대량 생산할 수 있다는 점이다. 인쇄 기술을 통해 기판 위에 박막을 형성하면, 큰 면적의 태양전지를 지금보다 훨씬 쉽게 만들 수 있다. 제조 비용은 '비결정 실리콘'의 제조 설비에 비해 20분의 1 정도로 생각된다.

종이 대신 기판이 되는 재료를 쓰고, 잉크 대신 태양전지의 재료가 되는 유기물을 녹인 용액을 쓰면, 단시간에 대량으로 만들 수 있다. 또 유기물의 종류를 바꿈으로써 색깔을 조정하거나, 구부릴 수 있는 유연성이 뛰어나기 때문에 마치 포스터를 만드는 것처럼 태양전지를 만들 수도 있다.

'유기 박막 태양전지'는 1장의 매우 얇은 플라스틱 기판 위에 고분자 반도체 나노층을 입혀서 만든다. 여기에는 실리콘 등의 무기물 대신 주로 탄소와 수소로 이루어진 '유기물'을 사용한다. 구체적인 재료에 대해서는 연구가 진행 중이다. 먼저 '전자를 받아들이기 쉬운 분자', '전자를 방출하기 쉬운 분자'를 섞어 '박막(μm 이하의 엷은 막)'을 만든다. 그리고 이것에 빛을 쪼임으로써 전자와 홀을 발생시키는 것이 '유기 막막 태양전지'의 원리이다.

유기 박막 태양전지 (Organic Thin Film Solar Cells)

5-5. 페로브스카이트 태양전지

실리콘을 필두로 '염료 감응형', '박막형', '고분자형' 등의 태양전지들은 시장에서 치열하게 경쟁 중이다. 그중 단연 선두 주자는 실리콘 태양전지이다. 에너지 변환 효율이 가장 높고, 안정적이어서 시장의 90% 정도를 차지한다. 실리콘 태양전지는 1980년대 중반에 상용화의 최소 기준인 효율 10%를 넘겼다. 이후 다양한 전지들이 실리콘 태양전지의 효율을 넘어서려고 했지만, 어떤 태양전지도 실리콘 태양전지의 효율에 이르지 못했다.

그런데 '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'가 등장하면서 상황이 달라지고 있다. '페로브스카이트(Perovskite)'는 천연 광물인 '타이타늄산칼슘(CaTiO₃)'과 같은 구조를 갖는 화합물을 통컬어 일컫는다. 페로브스카이트는 무기물과 유기물이 섞인 '하이브리드(Hybrid)' 물질이라서, 결정을 만들기 쉽다. 유기물과 무기물이 녹아있는 용액에서 용매를 제거하면, 소금처럼 페로브스카이트 결정이 만들어진다. 이 결정은 '부도체', '반도체', '도체' 성질은 물론 '초전도 현상'까지 보인다.

5-5-1. '페로브스카이트 태양전지'의 발전

'페로브스카이트(Perovskite)'는 1839년에 발현되었는데, 이후 180년이 지난 2009년에 최초로 태양전지에 적용되었다. 하지만 당시에는 에너지 변환 효율이 3.8%에 불과했고, 액체 전해질을 사용한 탓에 페로브스카이트 결정이 얼마 못가 녹아버렸다. 이후 2012년에 한국 성균관 대학교의 화학공학, 고분자공학부의 박남정 교수가 에너지 변환 효율을 9.7%까지 끌어올렸다. 그리고 이 연구 결과는 2012년 8월 과학지 '네이처(nature)'의 자매지 'Scientific Reports'에 발표되었다.

박남규 교수의 연구 이후, 페로브스카이트 태양전지의 에너지 효율 성장에 놀란 과학자들이 이 연구에 뛰어들기 시작했다. 그 결과 2013년, 옥스퍼드 대학의 '헨리 스네이스(Henry Snaith, 1978~)' 교수가 기존에 전자 수용체로 사용되던 '이산화타이타늄(TiO₂)'을 '산화알루미늄(Al₂O₃)'으로 바꾸어 에너지 변환 효율을 10%대로 끌어올렸다. 이 성과는 과학지 'Science'가 선정한 2013년의 10대 과학 성과로 뽑혔다.

2017년 기준, 페로브스카이트 의 최고 에너지 효율은 22%을 기록했다. 그리고 2020년 말, 베를린 '헬름홀츠젠드럼(HZB)'의 과학자들이 이끄는 연구팀은 탠덤 실리콘-페로브스카이트 태양전지로부터 29.15%라는 놀라운 효율을 끌어냈다. 게다가 '페로브스카이트 태양전지'는 '실리콘 태양전지'보다 대량 생산에 유리하고 제조 비용도 싸다.

5-5-2. '페로브스카이트 태양전지'의 과제

하지만 여전히 해결해야할 과제도 남아있다. 우선 내구성 문제를 해결해야 한다. '페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cell)'는 습기나 '공기(산소)'에 노출되면 쉽게 손상되고, 빛이나 고온에 장시간 노출될 경우 효율이 급격히 떨어져 10년 이상 버티기 어렵다. 한편, 실리콘 태양전지의 최고 수명은 25년이다. 또, 넓은 면적의 모듈을 제조할 수 있는 공정도 개발되어야 한다. 페로브스카이트의 주요 구성 요소인 '납(Pb)'을 대체하는 것도 과제이다. 납은 독성이 높은 금속이기 때문이다. 물론 납이 들어가지 않은 페로브스카이트 태양전지를 만들어낸 연구소도 있지만, 아직 부족하다. 그럼에도 불구하고 '페로브스카이트 태양전지'의 미래는 상당히 밝다. 페로브스카이트 물질을 'X선 의료 영상 장비', '고효율 LED 광원' 등 다른 산업에 응용하려는 연구도 확대되고 있다.

5-6. 탠덤 구조(Tandem Structure)

태양전지 성능의 지표가 되는 것은 '변환 효율'인데, 변환 효율은 태양전지의 종류에 따라 다르다. 그러면 이들 태양전지의 변환 효율을 높일 수 있는 방법은 없을까? 그 유력한 방법으로 주목되고 있는 것이 서로 다른 종류의 태양전지를 겹쳐 쌓음으로써 변환 효율을 올리려는 '탠덤 구조(Tandem Structure)'이다. '탠덤(Tandem)'은 '다접합' 또는 '적층'을 의미한다.

태양은 '자외선(UV: Ultraviolet Ray)', '적외선(Infrared Ray)', '가시광선(Visible Ray)' 등 다양한 파장의 빛을 방출한다. 각종 '태양전지(Solar Cell)'가 이용할 수 있는 것은 이 다양한 파장의 일부분으로, 그것은 태양전지의 재료나 제작 방법에 의해 정해된다. 예컨대 '비결정 실리콘'의 경우, 파장이 짧은 빛을 흡수하기 쉽다. 또 '결정 실리콘'의 일종인 '미세 결정 실리콘'은 파장이 긴 빛이 흡수된다. 그래서 이 둘을 서로 겹치면 더욱 넓은 파장의 빛의 흡수가 가능해지고, 변환 효율도 훨씬 높아진다. 인공위성에 쓰이는 'GaAs 태양전지'도 3종의 태양전지를 겹쳐 쌓은 것이다.

6. 축전(Capacitance)

태양광 발전으로 낮에 생산한 전기를 '축전(Capacitance)'했다가 밤에 사용하면 훨씬 더 효율적이다. 그뿐만 아니라 이산화탄소의 배출도 훨씬 줄일 수 있다.

'태양광 발전이 만들어내는 전류'와 '축전지가 저축할 수 있는 전류'는 '직류'이다. 하지만 가정용 콘센트는 교류용이다. 때문에 태양광에서 발전한 직류 전기를 '컨디셔너(Conditioner)'를 사용해 교류로 변환시켜줘야 한다. 발전소에서 받는 전기는 교류이고, 태양광 발전을 하는 전기는 직류이지만 컨디셔너에 의해 교류로 바뀐다. 그리고 '축전기'를 가정에 설치하고 콘센트에서 전기를 저축하는 것이라면 교류를 직류로 되돌려야 한다. 그리고 축전된 전기를 쓰려면 다시 교류로 변환시켜야 한다. 교류로 변환하지 않으면 콘센트를 쓸 수 없기 때문이다. 이런 경우, 컨디셔너의 변환 능력이 90%라도 '2회의 변환(교류→직류, 직류→교류)'에 의해 최초 전력의 '19%(100% - 90% × 90%)'는 사라지게 된다.

그래서 태양광 발전으로 얻은 직류 전기를 직류 그대로 쓰면, 전력 손실을 줄일 수 있다. 그런데 실제 직류를 직류 그대로 사용하는 새로운 집의 구조에 대한 연구가 있다. 전기 제품 중에서도 컴퓨터나 TV 등은 'AC 어댑터(AC Adapter)'로 교류를 직류로 변환하여 '직류로 작동'한다. 따라서 태양광 발전을 생긴 직류 전류를 '컨디셔너(Conditioner)'를 통하지 않고 '축전지(Storage Battery)' 등으로 안정화시켜 '직류용 콘센트'로 연결하고, 남은 전력은 직류 그대로 축전지에 저장할 수 있다. 교류용 가전제품은 그대로 '교류용 콘센트'를 사용한다. 이렇게 하면, 축전지에 저장된 전기도 손실 없이 사용할 수 있다.

이처럼 '축전지(Storage Battery)'를 병용하는 집에서 사용하길 추천하는 축전지는 '리튬 이온 전지(Lithium-Ion Battery)'이다. 보통 축전지는 '자기 방전(Self Discharge)'에 의해 축전된 전기를 다소 잃게 되지만, '리튬 이온 전지(LIB)'는 그러한 현상이 없다. 부피당 축전 능력도 높고, 주택의 태양광 발전에서 생기는 적은 양의 전기도 흡수할 수 있다. 또 전기가 남아 있을 때 충전하면 축전지 용량이 감소하는 '메모리 효과(Memory Effect)' 같은 현상도 없다.

7. '태양광 발전' 기술 발전 방향

7-1. 산업적 응용분야

산업적 응용분야로서는 '사막 지역에 설치 가능한 태양광 기술'의 개발 및 실증이 이어지고 있다. 이와 관련하여 중국의 '일대일로(一帶一路, One belt One road)' 사업 중 '사막', '오지' 등 극한상황의 태양광 공동 기술 표준화가 진행되고 있다. 그 외에도 '수상태양광', '건물 및 다양한 형태의 태양광'과 '에너지 저장 장치(ESS: Energy Storage System)'+'에너지 관리 시스템(EMS: Energy Mangement Systme)'의 공동 기술 표준화가 진행 중이다.

7-2. 기술융합 부문

기술 융합 관점에서는 'IoT(Internet of Thing)', '지능형 검침 인프라(AMI: Advanced Metering Infrastructure)', '에너지 저장 시스템(ESS: Energy Storage System)' 등 태양광과 연계한 기술의 표준화가 진행 중이다. 표준화 완성에 따라 관련 산업의 본격적인 성장이 기대된다. 특히 태양광 융합산업 및 전기차 등과 연계한 국 제환경 기술 표준화를 통해 풍부한 자원량, '친환경(기후변화와 미세먼지 등)', '설치 용이성', '가격경쟁력' 등을 갖춘 태양광 발전의 성장성이 높아, 발전 산업의 패러다임 변화를 이끌 전망이다.

태양광 기술 융합 부문의 성장세가 두드러지게 된 배경에는 '에너지 저장 장치(ESS)' 기술발전에 따른 발전단가 하락이 주요하게 작용하였다. 2019년에 발간된 '블룸버그(Bloomberg)'의 'New Energy Agency' 보고서에 따르면, 4시간 주기 기준 '에너지 저장 장치(ESS)'의 발전 원가는 MWh당 187달러로, 2012년 이후 75% 하락하였다. 이와 더불어 풍력과 태양광 발전 원가도 2010년 대비 49%, 85% 하락하면서 '신재생+ESS' 프로젝트의 경제성이 크게 개선되었다.

가장 성공적인 주거용 '에너지 저장 장치(ESS)'의 운영방식은 구성요소를 한 데 묶어 패키지화하고, 소비자들에게 사용하기 쉬운 소프트웨어를 제공해 설치 작업을 간소화하는 것이다. ESS를 구성하는 배터리 가격 하락세가 이어지고 있는 가운데, '에너지 저장 장치(ESS)' 가격은 정체 상태에 머무를 것으로 전망된다. 옥상 태양광을 설치할 때는 추가적인 통합 작업이 필요한데, 구체적으로는 '추가적인 설계', '허가', '소프트웨어', '교육', '구성' 등 시스템 설치에 필수적으로 요구되는 비용이 발생한다.

7-3. 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)

태양광 산업 분야에서 최근 관심이 높아지는 분야는 '건물 일체형 태양광 발전(BIPV: Building Integrated Photovoltaic System)'이다. '건물 일체형 태양광 발전(BIPV)'는 태양광 모듈과 건축물 외장재를 결합한 태양광 발전 시스템이다. 즉, 창문이나 건물 외피로 신재생에너지를 생산하는 것이다. 한국 정부는 2019년에 BIPV 설치비 지원율을 기존 50%에서 최대 70%까지 늘리겠다고 발표한 바 있다.

한편, 한국의 '건물 일체형 태양광 발전(BIPV)' 시장 규모는 미미한 편이다. 몇몇 중소업체만이 관련 제품을 생산하고 있다. 과거 'LG하우시스' 등 일부 대기업 계열사가 진출한 바 있지만, 현재는 거의 철수하여 대기업 참여는 사실상 없는 상태이다.

'건물 일체형 태양광 발전(BIPV)' 모듈 제작은 빛이 들어오는 각도나 형태 등 고객이 원하는 스펙을 맞춰야 하므로 주문형 제작이 이뤄질 수밖에 없다. BIPV 시장 확대 기대감이 모이는 중에, 시장 확대의 관건은 규격 표준화에 달려있다고 생각된다. 표준화가 이뤄지면 대량생산이 가능해져 단가가 내려가기 때문이다. 한국의 BIPV 시스템 인증 기준까지 생기면 표준화 가능성은 더 높아질 수 있다. 현재 '국제 표준 기구(ISO: International Organization for Standardization)'와 유럽 일부 나라는 BIPV 모듈과 시스템 인증 기준을 보유하고 있다.

8. '태양광 발전' 관련 기업

기업	국적	?
진코 솔라(Jinko Solar)	중국	태양광 모듈/폴리실리콘
아스트로너지(ASTRONERGY)	중국	태양광 모듈/폴리실리콘
GCL Technology	중국	태양광 모듈/폴리실리콘
파나소닉(Panasonic)	일본	태양광 모듈/폴리실리콘
알박(Ulvac)	일본	태양광 모듈/폴리실리콘
Kyocera	일본	태양광 모듈/폴리실리콘
한화솔루션	한국	태양광 모듈/폴리실리콘
OCI	한국	태양광 모듈/폴리실리콘
LG전자	한국	태양광 모듈/폴리실리콘
DMS	한국	태양광 공정 장비
SFA	한국	태양광 공정 장비
세메스	한국	태양광 공정 장비
테스	한국	태양광 공정 장비
원익IPS	한국	태양광 공정 장비
신성홀딩스	한국	태양광 공정 장비
주성엔지니어링	한국	태양광 인버터
헥스파워시스템	한국	태양광 인버터
다쓰테크	한국	태양광 인버터
윌링스	한국	태양광 인버터
효성	한국	태양광 인버터
현대중공업	한국	태양광 인버터

진코 솔라(Jinko Solar): Jinko Solar는 2019년 기준 세계 태양광 모듈 생산 1위 기업으로, 중국 상하이 본사를 중심으로 전 세계 8개의 생산공장과 16개국에 지사를 운영하며 12000명 이상의 직원을 보유하고 있다. '실리콘웨이퍼(Silicon Wafer)' 9.2GW, '태양전지(Solar Cell)' 6.5GW, '태양광 모듈(Solar Module)' 10.0GW 이상의 연간 생산 능력을 구축하고 있고, 태양광 '가치사슬(Value Chain)' 통합 기업이다.
아스트로너지(ASTRONERGY): '아스트로너지'는 '중국', '독일', '태국' 등 전 세계에 대규모 생산시설을 두고 연간 2.5GW 규모의 모듈을 생산하고 있는 글로벌 기업이다. 최신 태양전지 제조기술을 적용한 p-type의 단결정 또는 다결정 태양광 모듈을 제조한다. 전면전극의 '더블 프린팅(Double Printing)' 기법, 'SE(Selective Emitter)' 타입 태양전지 제조기술 등을 적용해 변환효율을 향상시키기 위한 연구개발을 진행하고 있다.
GCL Technology: GCL은 2019년 기준, 중국 및 베트남에 소재한 6개의 생산기지를 통해 고효율 모듈 6GW를 생산하고 있으며, 2GW의 고성능 배터리 생산 능력을 확보하고 있다. GCL은 '표준형 60/72셀', '양면 글라스', '고효율 폴리실리콘 PERC셀', '하프셀 모듈' 등 고품질 시리즈 제품을 글로벌 시장에 제공하고 있다.
파나소닉(Panasonic): '파나소닉'은 태양광 패널의 조립 공정을 담당하는 '시가 공장(오쓰시)'의 생산을 2017년에 중지하고 시설의 일부를 말레이시아 공장으로 이전하였다. 한편, 태양광 패널의 원재료인 실리콘을 생산해온 미국 오레건주 공장을 2017년 10월 말에 가동 중지하였다.
알박(Ulvac): '얼박(Ulvac)'은 진공 기술을 응용한 제품을 폭넓게 취급하는 일본 기업이다. 태양전지 제조장비 부문은 중국·한국향 '화합물계 태양전지'와 '결정계 태양전지' 제조 장치를 중심으로 매출을 올리고 있다. 그러나 '박막 실리콘 태양전지' 제조 장비의 수주 침체가 이어지고 있다. 이에 따라 실적이 저조한 다결정용 제품 철수에 의한 설비 손상과 재고 자산의 평가 손실을 계산하여, '실리콘 단결정 제조 장치'는 반도체용으로 전환하는 등 '태양전지(Solar Cell)' 관련 사업을 축소하고 있다. 다만, 향후 문제가 되는 태양광 패널의 폐기 처리를 위해, 유리와 봉지재 EVA를 분리하는 기술을 개발하고 있고, 일반적으로 산업 폐기물로 처리되지만, 열화가 되지 않은 것을 선별하여 재사용할 수 있는 기술 개발을 하고 있는 점은 주목할 만하다.
OCI: OCI는 주력 제품 '폴리실리콘(Polysilicon)'의 업황 악화를 극복하기 위해 새 성장 동력을 찾고 있다. 자회사 'OCI파워'를 통해 '태양광 인버터' 기술을 내재화하며 국내 태양광 발전 시장에 본격적으로 진입할 예정이다. 'OCI파워'는 국내 태양광 개발자들에게 'EPC 방식(설계에서 시운전에 이르기까지 건설의 모든 단계를 도맡아 제공하는 방식)'의 건설, '운영 및 유지 보수', '태양광 발전 펀드를 통한 투자 자금 조달' 등 태양광 발전 사업의 모든 솔루션을 제공하는 회사다.
LG전자: 'LG전자'는 미국에 대규모 태양광 모듈 생산라인 구축에 돌입하는 등 '태양광 발전' 사업에 투자를 아끼지 않고 있다. LG전자의 태양광 사업은 독일 '인터솔라(Inter Solar)' 전시회에서 중국과 일본 업체들을 제치고 아시아 최초 3연속 최고상을 수상할 정도로 기술력을 인정받았다. 2019년 기준, LG전자 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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