CIGS 박막 태양전지 시장전망과 실용화 전략

박막 태양전지는 Grid Parity를 달성할 가능성이 매우 큰 분야이며, 특히 CIGS 박막 태양전지는 높은 가능성 면에서 많은 주목을 받고 있다. CIGS 태양전지의 실용화는 저가의 기판 적용이 가능한 Roll to Roll 제조 공정의 확립, 이에 적합한 CIGS 박막제조기술 개발, 그리고 표준 제조공정의 확립으로 더욱 더 많은 CIGS 태양전지 생산 업체, 관련 소재 및 장비 업체의 참여가 가능할 때 본격화 될 것으로 생각한다.

이 동 현 SK 정보·전자소재연구소 연구원

태양광 시장은 최근 5~6년간 연평균 약 40%씩 성장해 2007년 20조원 규모에 도달했으며, 2010년경에는 약 55조원에 이를 것으로 예측되고 있다. 이렇게 놀라운 태양광 시장의 성장배경은 환경문제, 온실가스 감축협약, 에너지 안보 등의 정치 문화적 변수가 경제 정책에 적극 반영된 이유 때문이다. 따라서 태양광 시장의 본질은 태양광발전의 경제성 확보에 의해 생성되고 성장한 자생시장이라기보다는 정책지원에 의해 성장하는 ‘정부 주도형 미래기술 사업’[1] 분야가 본질이라고 말 할 수 있다.

그림 1. 태양광 시장전망                                                  자료 : 참고문헌[2]

정책지원에 의해 성장하는 산업들이 흔히 그렇듯이, 태양광 산업도 대내외적 환경 변수에 의해 정책이 중단되는 경우가 생긴다면, 시장의 유지와 확대가 어려워 질 수 있다. 이런 정책적 불확실성은 기업의 투자 및 기술개발 결정에 큰 걸림돌로 작용될 것이 자명하다.

태양광 산업 분야의 불확실성 해소 및 태양광 시장의 자생력 확보는 태양광 발전단가가 최종적으로 경쟁해야 하는 기존 발전단가와의 경쟁력 확보로 해결이 가능하다(Grid Parity 도달). Grid Parity 도달 시점 이후의 태양광발전은 에너지 트라이앵글을 만족하는 독자 발전시장의 진입을 의미하며, 자생시장이 갖는 자유경쟁시장의 특성을 지닐 것이 자명하다. 이럴 경우, 태양광 산업의 시장규모는 2020년 약 100조, 2030년 약 500조에 이를 것으로 전망하기도 한다(그림 1). 따라서 세계 유수의 태양전지 업체들은 Grid Parity 달성 노력은 물론, 도래할 것으로 예상되는 자유경쟁시장에 적극 대비하려는 노력을 하고 있다.

Grid Parity 도달 가능성과 박막 태양전지

Grid Parity에 도달하기 위한 업계의 노력은 규모의 경제 달성, 수직계열화에 의한 제조비용 감소, 그리고 효율 개선과 저가 제조공정 개발로 요약된다. 기술적인 면에서만 보자면, 박막 태양전지는 비교적 높은 기술 개발 수준과 고 셀 효율을 보유하고 있어, 대면적 상용화 성공 시에 Grid Parity를 달성할 가능성을 가장 높게 평가 받고 있다[2](그림 2).

그림 2. 태양전지 효율성 및 생산비용 비교                                 자료 : 참고문헌[3]

Grid Parity의 도달 기간은 기술개발 속도와 소비자 전력가격의 평균 상승률에 의존 한다. 역사적으로, 1940년 이후 미국의 소비자 전력가격은 평균 3.5% 상승했으며, 1, 2차 오일쇼크와 같은 에너지위기 상황에서는 약 14% 정도 상승한 바 있다. 따라서 평균 전력가격 상승률과 기술개발에 의한 태양광발전 단가 감소 속도를 감안해 보면, Grid Parity 도달 시점을 구해 볼 수 있다[3]. 극단적인 전력가격 상승의 경우를 제외한 연평균 전력가격 상승률을 적용해 보면, CIGS와 CdTe 화합물 박막 태양전지의 발전단가는 약 5~6년 내에, a-Si 단일층 박막 태양전지인 경우는 약 8년 내에 Grid Parity에 도달하게 된다. 또한, 전력가격 상승률이 0%인 경우를 가정하더라도, 화합물 박막 태양전지의 경우는 8~9년 정도의 기간 내에 Grid Parity에 이를 것으로 추정된다. 이를 위해, 일본, 유럽, 미국의 박막 태양전지 개발 로드맵에서는, 2015년까지 모듈 효율 14~15%, 모듈단가 Wp당 0.7달러, 추가적으로 2020년 이후, 모듈 효율 18%, 모듈 단가 Wp당 0.3~0.4달러를 목표로 하고 있다.

상기 목표가 달성될 경우, 2030년 박막 태양전지 시장은 전체 태양광 시장의 약 35%인 175조원의 시장을 형성 할 수 있을 것이다[4].

그림 3. 전력 가격 상승률별 박막 태양전지의 Grid Parity 도달 예상시점     자료 : 참고문헌[6]

이러한 박막 태양전지의 가능성으로 인해, 1세대 태양전지 사업을 영위하는 업체들도 2세대 박막 태양전지에 대한 연구개발 투자를 대폭 확대하고 있으며, 신규 진입 업체들 중 일부는 처음부터 박막 태양전지 개발을 선언하고 있는 실정이다. 참고로 2006년 약 60여 개의 업체가 박막 태양전지 분야 진출을 선언했으며, a-Si 태양전지 분야 34개 업체(57%), CIGS 화합물 태양전지 분야 19개 업체(32%), CdTe 화합물 태양전지 분야는 6개 업체(10%), Thin Si 태양전지 분야 1개 업체로 조사된 바 있다[5]. 지역별로는, LCD/IC 산업이 강세를 보이는 일본, 중국, 기타 아시아권 업체들은 기술적 연관성을 지니는 a-Si 박막 태양전지를 선호하고 있으며, CIGS는 미국이나 유럽지역 업체들이 선호하고 있다[6](그림 4).

그림 4. 국가별 박막태양전지 생산규모 추정                                자료 : 참고문헌[8]

CIGS 화합물 박막 태양전지의 상용화 동향과 기술개발

CIGS 화합물 박막 태양전지 상용화는 Cu, In, Ga, Se의 네 가지 금속으로 구성된 4원 화합물 박막의 효율적이고 경제적인 제조공정의 확보에 달려있다. 현재는 대부분의 상용화 업체가 고가의 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정을 사용하고 있고, 이에 따른 낮은 원료 사용 효율, 비 연속식 공정 적용에 의한 생산을 수행하고 있다. 한편, 다양한 박막 제조기술이 개발되고 있지만, 아직은 일관된 표준공정이 부재해 장비산업, 소재산업 등의 주변 산업 인프라가 충분히 구축돼 있지 않다.

CIGS 상용화 업체 및 기타 연구 기관들은 이러한 한계극복을 위해 노력하고 있는데, 상용화 기업을 중심으로는 기존 PVD 기반의 박막 제조공정의 생산성 향상을 위한 공정 효율화를 중점 추진하고 있으며(Global Solar사), 기술 중심의 벤처 기업에서는 Roll to Roll 기반의 비 진공 코팅 CIGS 박막 제조기술(대표적으로 Nanosolar사), 박막 층 전이로 획기적 공정기간 단축이 가능한 Layer Transfer기술(Heliovolt사) 등 다양한 기술개발이 시도되고 있다. 특히, 비 진공 코팅 박막 제조기술은 기술의 난해함, 셀 효율 저하 등의 단점에도 불구하고, 성공 시 저가의 유연 기판 적용 가능성, Roll to Roll 연속공정 적용 가능성을 모두 지녀 모듈 단가를 획기적으로 낮출 수 있는 기술로 평가 받고 있다. 하지만, 이러한 기술들은 아직은 실험실 혹은 파일럿 수준에서 이뤄지고 있는 상황이다. 향후, 비 진공 코팅 박막 제조기술이 개발돼 효율적인 표준 제조공정이 확립된다면, 더욱 많은 태양전지 생산, 장비 및 소재 업체의 참여가 활발해 지게 될 것으로 예상되며, CIGS 태양전지의 상용화는 더욱 가속화 될 것이다.

CIGS 태양전지 주요 상용화 업체들의 생산규모 현황은 현재 152MW (2007년 기준) 규모이며, 2009년까지 272MW로 확장될 계획이다[7](표 1). 이들 업체들은 2010년에 650MW로 생산규모를 확장 할 예정이다[6].

CIGS 태양전지 성장의 지속 가능성과 원료수급

CIGS는 희귀 고가 금속인 인듐(In)을 원료로 사용하고 있다. 2um의 CIGS 박막을 지닌 효율 10%의 태양전지를 연간 100MW 생산 시, 약 7톤의 Indium이 소요되므로, 전 세계 인듐 생산량인 580톤을 전부 사용한다면, 연간 약 8.2GW의 CIGS 태양전지를 생산할 수 있다.

인듐의 부존량은 전 세계 육지의 0.05ppm이 함유돼 있으며, 해양 암석과 지질에 약 0.072ppm이 함유돼 있다. 이 양은 은(Silver)보다 많은 양으로써, 현재 전 세계 은 생산량이 연간 20,000톤으로, 이론적으로는 인듐 부족 현상은 고민하지 않아도 된다.

하지만, 인듐은 그 자체의 광산이 존재하는 것이 아니라, 아연(Zn) 광산의 부산물로써 채취되고 있다. 최근 전 세계 인듐 소비량의 70%를 차지하고 있는 Flat Panel Display용 ITO의 수요가 급격히 증가함에 따라 인듐 가격이 빠르게 상승하고 있어[8](그림 5), 향후, CIGS 태양전지의 상용화가 급격히 진행되는 상황이 온다면, 결정질 실리콘 태양전지의 원료인 폴리실리콘 부족 현상과 같은 원료 수급 불균형 문제가 일어날 수도 있을 것으로 예측할 수 있다.

그림 5. 인듐의 수요-공급 곡선과 가격변화

다행히 최근 인듐 생산의 확대 노력이 이뤄지고 있다. 예를 들면, 새로운 인듐 광산인 Neves Corvo Zinc(포르투갈)개발, Mitsui Mining(페루)의 인듐 생산량 확대, Chelyabinsk Zinc의 Nova Zinc 광산 인수(카자흐스탄) 등을 들 수 있다.

Brookhaven 국립연구소는 현실적인 기준에서 CIGS 태양전지 생산 가능량을 조사했다[9]. 동 보고서에 의하면, 전 세계 아연 생산량이 연간 3.2% 성장한다고 가정하였을 때, CIGS 광 흡수층의 두께와 제조 공정에서의 인듐 사용효율에 따라 2047년 약 28~50GW의 CIGS 태양전지 생산(인듐 사용효율 34~50%, 박막두께 1.63~1.23마이크론 기준)이 가능하다. 이는 2030년 기준, 전체 박막 태양전지 시장의 16~28%에 해당하는 낮은 수준에 불과하다.

따라서 CIGS 태양전지 분야의 지속 가능한 발전을 위해서는, 태양전지 생산업체는 초 고효율 모듈 개발, CIGS 흡수층 두께 감소, 흡수층의 비 진공 코팅 기술개발을 통한 인듐 사용량 저감 및 사용효율의 획기적 개선이 필수적이다. 원료 업체는 효율적 인듐 재사용 기술개발, 인듐 광산의 지속적 개발을 통한 생산량 제고가 필수적이다.

최근 태양광 시장은 폭발적으로 성장하고 있지만, 이는 정부정책 주도의 결과이다. 따라서 기업의 입장에서는 매우 불확실성이 큰 사업 분야라고 할 수 있다. 시장과 기업은 불확실성을 회피한다. 태양광 산업의 불확실성은 Grid Parity를 달성해, 기존 발전과 경쟁할 수 있는 기술수준을 확보함으로써 제거될 수 있다.

표 1. CIGS 박막태양전지 상용화 기업들의 생산규모

자료 : 참고문헌[7]

박막 태양전지는 Grid Parity를 달성할 가능성이 매우 큰 분야이며, 특히 CIGS 박막 태양전지는 높은 가능성 면에서 많은 주목을 받고 있다. CIGS 태양전지의 실용화는 저가의 기판 적용이 가능한 Roll to Roll 제조 공정의 확립, 이에 적합한 CIGS 박막제조기술 개발, 그리고 표준 제조공정의 확립으로 더욱 더 많은 CIGS 태양전지 생산 업체, 관련 소재 및 장비 업체의 참여가 가능할 때 본격화 될 것으로 생각한다. 한국은 CIGS 태양전지 개발을 위한 직접적인 산업 인프라는 부족하지만, 전통적으로 정밀화학, 전자소재 및, 전자산업에 강점을 지니고 있어, CIGS 태양전지 개발 잠재력은 충분하다.

다만, 이러한 산업 인프라를 통합해 내는 시스템이 부족한 것은 아쉬운 점이다. 미국의 SAI(Solar America Initiative)나 일본의 NEDO처럼, 우리 정부가 관련 산업의 발전과 기술개발을 주도하는 강력한 리더십을 발휘한다면, 아주 가까운 장래에 차세대 CIGS 원천기술 확보와 상용화를 달성해 선진국과의 경쟁이 가능할 뿐 아니라, 차세대 한국의 성장 산업으로써 글로벌 태양광 시장의 주도권을 확보할 수 있다고 생각한다.

참고문헌

1. 강희찬, 삼성경제연구소, ‘부상하는 태양광 발전사업’, 2007

2. 송효준, 최진훈, SK 경영경제연구소, ‘태양광 발전 현황과 전망’, 2007

3. Reproduction from Solar Photovoltaic Industry, 2, April, 2008, Deutsche Bank Securities

4. RWE SHOTT, PVSEC-14, 2004

5. Harin S., NREL, ‘Thin Film CIGS & CdTe Photovoltaic Technologies: Commercialization, Critical Issues and Applications’, 22nd EUPVSEC, 2007

6. EUPD, ‘PV Thin Film Industry Analysis’, 2008

7. Prince, B., ‘Trends in Solar Energy(2004~2010)’, New Energy Strategies, Jan. 2008

8. Phipps, G., Indium Corporation ‘Indium and Gallium Supply Sustainability’ 22nd EUPVSEC, 2007

9. Fthenakis V., Brookhaven National Laboratory, ‘Sustainability of Thin Film Photovoltaics’, PVSC33, 2008

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