실리콘 이후 활로…

효율적 태양광 전지 개발에서 찾다!

실리콘은 태양광 장치의 초기 단계에서 반도체로 사용됐고 여전히 많은 태양광 프로젝트에서 사용 중에 있다. 그러나 이제 시대가 변해 실리콘 태양광 전지의 인기는 떨어지기 시작했다. 태양광 전력 시스템의 전반적인 효율을 높이는 다양한 방법들이 존재하지만 저 비용이면서도 효과적인 태양광 전지가 여전히 핵심이다. 그 선까지 실리콘을 적게 사용하거나 전혀 사용하지 않은 효율적인 태양광 전지를 개발하는 것이 지속적으로 큰 관심의 대상이 될 것으로 예상된다.

카트리스 잘부에나(Katrice Jalbuena), 에코씨드(EcoSeed) 필자

필자는 에코씨드의 저자로서 미국과 유럽의 신재생에너지 시장에 대해 광범위한 부분에 걸쳐 집필했으며 특히 기술 관련 뉴스에 많은 관심을 갖고 있다.

지구상에서 실리콘이 두 번째로 풍부한 원소이지만 2005년 실리콘 부족 사태는 태양광 시장에 두려움을 안겨줬다. 산업 동향 연구 회사인 솔라버즈에 따르면 이러한 부족 사태로 인해 태양광 전력의 가격은 2000년대 초반 와트 당 약 4달러에서 4.80달러 이상으로 상승됐다.

태양광 시장의 성장은 실리콘 생산에 비해서는 너무 빠르게 진행됐고 실리콘 태양광 전지의 다소 복잡한 생산 공정은 가격 하락에 별 도움이 되지 못했다. 이로 인해 적은 실리콘을 사용하거나 아니면 단순히 다른 광선 흡수 물질을 사용하는 박막 필름 기술이 발전하게 됐다.

보고에 의하면 실리콘 부족은 추가 생산 용량으로 2008년도에 끝났고 실리콘 가격은 수요에 맞추기 위해 떨어졌지만 박막 필름과 다른 태양광 전지에 대한 관심은 여전히 높은 상태이다. RN21의 2009년 보고에 의하면 2008년 태양광 PV는 공익사업 규모의 혁신 증대, 박막 필름 PV 설치물의 증가, 건물 통합적 PV에 대한 관심 증대와 같은 세 가지의 산업 동향을 보였다.

박막 전지의 부상

마지막 두 개의 동향은 특히 흥미로운데 그 이유는 이 두 경향의 미래는 PV에서 실리콘의 사용이 줄어들 것이라는 암시를 주기 때문이다. 건물 통합형 PV는 일반적으로 유연성과 불투명성 때문에 박막 필름 태양광 전지를 사용한다. 유리, 스테인레스, 강철이나 플라스틱 같은 저렴한 재질에 적용 가능하기 때문에 이러한 재료들은 이미 건설에서 사용 중에 있다. REN 21에 따르면 2008년 전 세계 태양광 전지 생산의 6.9GW 중에서 950MW는 박막 필름에 의존했다. 이는 120% 성장 추세이다.

솔라버즈의 보고서에 의하면 전 세계 태양광 전지 생산은 2009년에 9.34GW에 달했고 박막 필름은 총 생산량의 18%를 차지한다. 이 보고서는 또한 결정질 실리콘 모듈의 가격이 전년도에 비해 38% 하락했다고 지적한다. 현재 상태 그대로라면 실리콘 태양광 전지는 다른 재질들을 이용하는 전지에 비해 효율성 관점에서 장점이 많고 흡수한 빛에서 얼마나 많은 전력으로 변환하는지에 대한 면에서 많은 이점을 갖고 있다. 

일반적인 실리콘 전지 태양광 모듈은 약 15%의 효율성을 갖고 있다. 반면에 일반적인 박막 필름 전지 태양광 모듈은 6%의 효율성을 갖고 있다. 뉴 사우스 웨일즈 대학의 보고에 의하면 실리콘 태양광 전지는 가장 높은 효율성을 갖는데 2008년에는 25%의 효율성에 도달했다. 실리콘 PV 전지에 있어서 29% 효율성은 이론적으로 최대치의 효율성이다. 보고에 의하면 선파워는 실리콘 태양광 전지로 가장 높은 상업적 효율성을 갖는데, 2007년 이후로 대량 생산에서 22%의 효율성을 확보했고 2008년에는 원형 태양광 전지에서 23.4%의 효율성을 얻었다.

박막 필름 태양광 전지는 실리콘을 거의 안 쓰거나 전혀 안 쓰는 저가의 PV 전지를 의미한다. 미국 에너지부의 태양광 프로그램에 의하면 박막 필름이라는 이름은 반도체 물질의 필름을 배치하는 데 사용되는 방법에서 유래됐다고 한다.

박막 필름 전지는 원자나 분자 혹은 이온의 매우 얇은 연속 층에 배치된다. 이들은 ‘두꺼운 필름’실리콘 전지에 비해 특별한 장점들을 갖고 있다. 즉 재료를 적게 쓴다는 것(100 마이크로미터에서 200 마이크로미터까지 사용하는 두꺼운 실리콘에 비해 1 마이크로미터에서 10 마이크로미터까지 두께의 재질을 사용)이다. 또한 박막 필름 전지는 대형 공장에서 자동화 시설로 연속적인 생산 공정을 통해 제조 가능하다는 것이며, 유연한 재질에 사용 가능하다는 것이다. 

무정형 실리콘 업계의 선도자

무정형 실리콘 태양광 전지-박막 필름 전지 중에서 최초이며, 가장 일반적인 유형 중 하나-는 실질적으로 저가의 실리콘 전지이다. 무정형 실리콘이 PV 장치에 사용될 수 있다는 것을 업계가 인식한 시기는 1974년이었다. 이제는 시계나 계산기 같은 저 전력 장치에서 일반적으로 사용되고 있다. 무정형 실리콘은 결정 실리콘에 비해 태양 복사를 40배 더 많이 흡수한다. 따라서 약 1 마이크로미터 두께의 필름으로도 빛 에너지의 90%를 흡수할 수 있다. 

그러나 이것은 6~8%의 일반적인 에너지 변환 효율을 가질 뿐이고 실리콘 전지에 비해 수명 주기가 짧고 무정형 실리콘은 특성 열화 현상의 영향을 받는다. 이로 인해 태양에 첫 노출 후 시간이 지날수록 에너지 변환 효율이 떨어지게 된다. 

무정형 실리콘의 한 가지 경제적 이점은 쉽게 배치가 가능하다는 것이다. 롤-투-롤 프린팅 공정이든 잉크젯 프린팅이든 화학적 기상 증착법이든 플라스틱, 유리, 금속과 같은 저가 재질에 쉽게 이용 가능하다. 이로 인해 비용이 낮아질 뿐만 아니라 건물 통합형 PV에 있어서 무정형 실리콘이 이상적인 재료가 되는 것이다. 2월에 앤웰(Anwell) 테크놀로지는 무정형 실리콘에 대해 8.58%의 효율을 주장했다. 무정형 실리콘으로 여전히 작업하는 다른 업체들에는 샤프 코퍼레이션, 미쓰비시 그룹, 어플라이드 머티리얼즈 및 올리콘 솔라가 있다.

사진 1. Silicon Panels.  일반적인 실리콘 전지 태양광 모듈은

약 15%의 효율성을 갖고 있다. 반면에 일반적인 박막 필름 전지

태양광 모듈은 6%의 효율성을 갖고 있다.

박막의 선두주자

실리콘을 모두 제거하는 비교적 인기가 높은 세 가지 박막 필름 기술이 있다. 즉 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리 인듐 디셀러나이드(CIS) 혹은 CIGS, 비소화 칼륨이 그것이다. 이중에서 카드뮴 텔루라이드는 모든 박막 필름 중에서 메가와트 당 가장 낮은 비용이 드는 것으로 알려져 있고 구리 인듐 디셀러나이드는 박막 필름 중에서 20%로 가장 높은 평균 효율을 가진 것으로 알려져 있다.

상업적으로 생산되는 CIS 필름은 약 11~12%의 효율을 갖고 있다. 독일 Wrth 솔라 사는 2006년에 평균 약 12%의 효율을 갖는 최초의 대규모 CIS 생산을 시작했다. 독일 연구소 ZSW는 2009년에 단계적인 시범 생산으로 19.6% 효율에 도달할 수 있었다. CIS 태양광 전지의 혼합물에 소량의 갈륨(희금속 원소)을 첨가하면 CIGS 태양광 전지를 생산할 수 있다. 전국 신재생에너지 연구소(NREL)팀은 CIGS로 19.9% 효율을 달성할 수 있었다.

가장 대규모의 CIGS 어레이가 2008년 12월에 완전 가동되기 시작했다. 아리조나 턱슨의 글로벌 솔라 에너지의 제조 시설에 위치한 750kW 시스템은 이 시설에 전력을 공급한다. 카드뮴 텔루라이드는 또 하나의 전도유망한 박막 필름 재료이다. 전국 신재생에너지 연구소 (NREL)는 NREL CdTe의 변환효율에서 세계 기록을 보유하고 있는데 2001년에 효율이 16.5%에 도달했다. 세계에서 가장 큰 박막 필름 제조업체인 퍼스트 솔라 사는 11%의 평균 변환효율로 CdTe를 사용한다. 카드뮴 텔루라이드는 실리콘에 비해 저렴하고 보다 간단하고 경제적인 박막 필름 공정이라는 이점을 가지지만 CdTe에 사용되는 원소의 문제는 여전히 남아 있다. 카드뮴은 극히 독성이 강한 금속이고 카드뮴을 사용하면 재활용과 처분 문제가 발생한다. 반면에 비금속 원소는 흔한 원소가 아니며 대부분 구리, 납, 금의 부산물로 나온다.  

G.E.는 최근에 중국에서 CdTe 기술에 대해 프라임스타 솔라 사와 사업 협력(파트너십)을 발표했다. 중국은 CdTe 원료의 대부분이 발견되는 곳이다. 효율은 저가의 태양광 에너지를 만들고 광범위한 사용이 현실화되는 데 있어서 매우 중요하다. 태양광 전력 시스템은 전력 생산보다 설치에 더 많은 비용이 들어서는 안 되고 또한 최소한 단기간에 전력 저장에서 설치비용을 만회해야 한다. 

태양광 전력 시스템의 전반적인 효율을 높이는 다양한 방법들이 존재하지만(다중 접합 전지, 태양광 추적기, 집광기, 태양열, 유기전자 등) 그 최종 결과는 동일하다. 즉 저 비용이면서도 효과적인 태양광 전지가 여전히 핵심인 것이다. 그 선까지 실리콘을 적게 사용하거나 전혀 사용하지 않은 효율적인 태양광 전지를 개발하는 것이 지속적으로 큰 관심의 대상이 될 것으로 예상된다.

전 세계 태양광 전지 생산은 2009년에 9.34GW에 달했고 박막 필름은 총 생산량의 18%를 차지한다. 이 보고서는 또한 결정질 실리콘 모듈의 가격이 전년도에 비해 38% 하락했다.

본 기사는 미디어그룹 인포더에서 발행하는 글로벌 PV 매거진 Monthly INTER PV(영문) 내용을 게재한 것입니다.