사이먼 M.P. 아리지 박사 

듀폰 PV 솔루션즈 (Photovoltaics.dupont.com)의 글로벌 기술 매니저인 필자는 급속도로 확대되고 있는 시장에서 차세대 듀폰 소재의 도입과 공급을 가속화하는 임무를 맡고 있다. 19년간 듀폰에서 근무하는 동안 다양한 기술관리, 경영자 직위를 거친 필자는 스위스 취리히에서 화학공학 학위를 받았고, MIT에서 화학공학 박사학위를 취득했다.

지난 십년간 태양광 시스템은 핵심적인 신재생에너지 기술로 대두되었다. 태양광이 가장 친환경적이고 가장 풍부한 에너지 공급원이라는 데에는 이론의 여지가 없다. 그러나 이러한 태양광을 에너지로 변환해 저렴하게 전 세계적으로 공급하는 데는 많은 어려움이 따른다.

태양광 분야에서 가장 중요한 목표 중 하나는 기존의 전기생산방식과 생산단가가 같아지는 그리드 패리티에 도달하는 것이다. 이 목표달성에 있어서 가장 큰 도전과제는 수명을 늘리고 태양광 부품(패널, 모듈, 인버터 등)의 효율성을 높이며 전체적인 시스템 비용을 낮추는 것이다. 정부보조금의 지원 없이 전 세계의 주요 시장에서 태양전지가 전통적인 전력생산 방식과 전력 생산단가가 같아지는 그리드 패리티에 도달하기 이전에 반드시 상당한 수준의 비용 감소가 이루어져야 한다.   

태양광 산업의 혁신이 급속한 속도로 이루어지고 이를 통해 성능이 향상되고 비용 감소가 이루어지는 상황인 만큼 전 세계적인 그리드 패리티의 목표 달성은 다가올 십년 내에 가능할 것으로 보인다. 그 중 태양광 소재는 산업의 비용 감소에 있어서 핵심 역할을 담당하는 요소라 할 수 있다.

태양광 산업의 최대 소재 제공업체 중 하나인 듀폰은 소재 혁신에 적극적인 투자를 감행하고 있다. 향후 3~5년 이내에 그리드 패리티를 달성하기 위한 태양전지의 비용 감소를 위해 산업 파트너들과 긴밀한 협력체제를 고수하고 있다. 

그리드 패리티 달성에 있어서 소재의 중요한 역할을 살펴보기 전에 먼저 2008년 3분기에 시작된 세계적 금융위기 이후의 현재 태양광 산업의 현황을 살펴보는 것이 중요하다.

태양광 산업의 현재 상황

최근 세계적인 경기침체는 가격변화와 인센티브 시장의 부정적인 영향(인센티브의 축소), 그리고 세계적인 경제 흐름이 아시아 쪽으로 이동하는 결과를 불러왔다. 이러한 가운데 태양광 산업의 성장은 놀랄만한 수준으로 꾸준하게 발전해 왔다. 평가가 조금씩 다를 수는 있지만 단위 용량 기준으로 2009년도의 성장은 2008년보다 25% 상승한 수준이었다.

이후 2009년에는 예상보다 적은 수준의 수요, 대규모의 폴리실리콘과 모듈 제조용량, 스페인의 인센티브 정책의 대폭적인 축소, 이 모든 것이 결합되어 심각한 가격 하락을 불러왔다. 2009년 모듈 가격은 전년도에 비해 약 40% 가까이 하락했고 전문가들은 2010년에는 모듈 가격이 10~20% 더 하락할 것으로 예측하기도 했다. 이후 2010년 기준가격 의무구매제(Feed-in-tariff) 축소를 예상하며 독일에서는 설치가 급격히 늘어났고 낮은 가격에 힘입어 수요가 늘었지만, 모듈 가격은 여전히 약세이며 이것은 그리드 패리티의 달성을 가속화하는 한 요인이 되고 있다.

2010년 시스템 설치 분야는 정부 부양책의 증가 혹은 변화에 힘입어 50% 이상 증가할 것으로 전망한다. 가장 중요한 성장이 관찰되는 지역은 독일, 중국, 이탈리아, 그리고 미국이다. 인센티브의 확대와 비용 감소는 2012년 전 세계 여러 국가들의 중요한 성장 동인이 될 것으로 예상되며, 2009년도에 예상했던 6.5GW에서 2012년에는 17.6GW로 설치용량 증가가 예상된다.

이러한 모든 성장에도 불구하고 은행자금을 대출하는 태양광 프로젝트는 이미 검증된 기술 혹은 ‘이윤을 창출하고 돈벌이가 되는’ 기술에 집중하고 있다. 그 결과 CIGS와 집광형 태양전지(CPV)와 같이 새롭게 부상하는 기술들을 위한 은행대출은 훨씬 더 어려운 실정이다. 결과적으로 이러한 기술들은 필수적인 결정질 실리콘과 박막 필름(카드뮴 텔루르와 비정질 실리콘) 기술에 비해 훨씬 느린 속도로 발전하고 있다.

왜 소재가 중요한가?

전 세계 주요 시장에서 정부보조금이나 인센티브 없이 그리드 패리티에 도달하기 위해서는 전반적인 태양광 시스템 비용이 지금보다 훨씬 더 낮아져 50~60% 정도의 수준이 되어야만 한다. 소재는 이러한 그리드 패리티 달성에 있어서 중요하고 핵심적인 역할을 담당한다.

가장 먼저 고려해야 할 문제는 비용이다. 소재는 전체 태양광 시스템 비용 중에서 약 30%를 차지한다. 이는 디스플레이(23%)나 반도체(13%)와 같은 다른 전자제품에서 소재비용이 차지하는 비율보다 훨씬 더 높은 수치이다. 디스플레이와 반도체 이 두 산업은 태양광과는 많은 유사성이 있는데, 이 두 산업은 이미 급속한 성장 단계를 거쳐 이제는 안정된 성숙단계에 접어들었다. 따라서 태양광 소재는 다른 대규모 전자산업 부문보다 시스템 비용에 훨씬 더 큰 영향을 미친다.

그림 1은 일반적인 결정질 실리콘 모듈과 일반적인 박막 필름 모듈의 소재비용의 차이를 보여준다. 이 자료는 실리콘 금속의 kg당 가격을 50~60유로달러로 상정했는데, 이는 2010년 1분기의 일반적인 계약가격이다.

두 번째로 고려해야 할 사항은 모듈의 디자인과 성능에서 소재가 담당하는 역할이다. 중요하게 기억해야 할 것은 태양전지나 모듈을 위해 선택한 각 재료는 전반적인 전력생산, 시스템 수명, 시스템 비용과 관련된다는 사실이다. 그리고 이러한 소재들은 변화가 심하고 혹독한 실외 환경에서 수십 년 동안 고장 없이 작동해야 한다.

소재 혁신을 통해 효율성이 높고 수명이 길어지며 제조비용이 절약되고 설치가 용이한 새로운 전지나 모듈 설계가 가능하다. 단순하게 말해서 올바른 소재의 선택은 태양광 산업을 주류 산업으로 육성하는 데 핵심적인 요소이다.

그리드 패리티 달성을 위한 세 가지 방법

그리드 패리티 목표달성을 앞당기는 세 가지 방법이 있는데, 그것은 바로 효율 개선, 수명 연장, 시스템 비용 축소이다. 문제는 이 세 가지 방법을 실현하기 위해 보다 효과적인 방법을 찾으면서 과학과 기술을 어떤 식으로 사용하는가 하는 것이다. 여기에 몇 가지 예를 들어보자.

●○○ 효율성 개선

높은 모듈 효율은 동일한 개수의 모듈에서 더 많은 전력을 발생시키고 별도의 추가 비용 없이도 성능 개선을 가능하게 한다. 공동 협력 작업을 전개하면서 소재 공급업체와 모듈 제조업체는 모듈이 태양광을 전기로 전환시키는 데 있어서 상당한 성능 향상을 이끌 수 있다.

과학자들이 현재 효율성 개선을 위해 개발 중에 있는 소재 혁신에는 금속 배선 비중 제고, 푸른빛 투명 소재, 후위 접촉 전지 설계를 위한 소재, 고온의 고분자 기재와 같은 것들이 있다. 이러한 혁신을 통해 보다 많은 빛을 흡수하고 그 빛을 더 많이 전자로 변환해 전자를 위한 전도 경로를 개선할 수 있다. 

새롭게 개선된 태양광 금속 집열판은 결정질 실리콘 태양전지에 상당한 효율성 개선을 가져다주는 소재 혁신의 대표적인 예이다. 지난 6년 동안 이러한 금속 집열판 덕분에 연간 약 0.2~0.3%의 효율성 개선이 가능했다. 높은 비율의 금속배선이라는 이 새로운 혁신은 향후에는 훨씬 더 높은 효율성 개선에 따른 이익을 가져다 줄 것이다.

○●○ 수명주기 연장

수명이 긴 태양전지와 모듈은 투자 회수율을 높이는데 아주 결정적인 역할을 하며 태양광 전력이 비용 면에서 효과적인 대안전력이 되는 계기를 제공한다. 현재 25년의 모듈 보증기간이 표준이 되고 있는데 이는 주로 태양광 백시트 소재의 내구성 때문이다.

듀폰의 테드라(Tedlar) 폴리비닐 불소 필름은 태양광 백시트의 산업 표준인데, 이는 25년 이상의 검증된 성능을 갖추고 있으며 어떤 기상 조건에서도 장기적인 내구성을 갖고 있다. 이 필름은 태양광 산업에서 가장 긴 성능 이력을 갖고 있으며 시스템에 자금을 제공한 신중한 투자자들이 걱정하지 않고 안심할 만한 모듈 수명을 보장한다.

모듈의 수명을 더 길게 연장하기 위해 과학자들은 현재 고성능 습기 보호막과 내구성이 더 뛰어난 백시트 ‘프런트시트’ 소재를 개발 중에 있다. 이러한 견고한 소재들을 이용하면 현재 20~25년 보증되고 있는 모듈 수명을 앞으로 40년 이상으로 연장할 수 있을 것이다. 이런 식의 장기적인 성능이 의미하는 바는 크다고 할 수 있다. 우리는 25년에서 40년으로 모듈의 수명을 연장함으로써 태양광 에너지 비용이 약 20% 가까이 감소할 것으로 예측한다.

○○● 비용 감소

전반적인 시스템 비용 감소를 지속하기 위해서 업계 전문 업체들은 다음과 같은 분야에 노력을 집중하고 있다. 더 신속한 합지 공정 주기, 더 간단한 지지대 장착 시스템, 그리고 혁신적인 신소재 봉지재 필름이 그것이다. 이러한 노력들은 제조 생산량을 높이고 시스템 설치비용과 소재 소비를 줄이고 심지어 일부 소재에 대한 필요성을 제거하기 위한 것이다. 예를 들면, 2010년 초에 듀폰은 새로운 흰색의 반사 태양광 봉지를 도입했다. 이 소재 덕분에 박막 필름 무정형 실리콘 모듈의 뒤쪽에 반사 페인트를 칠할 필요가 없게 되었다. 장비 제조사인 올리콘솔라(Oerlikon Solar)와 합작해 개발한 이 새로운 태양광 봉지는 페인트에 비해 50% 이상이나 빛 반사율이 높아서 거의 완벽한 수준의 94% 반사율을 보인다. 이 소재는 투명한 PVB 소재보다 훨씬 더 강력한 접착력을 전달해 모듈의 장기적인 수명을 가능하게 한다. 그리고 이 소재는 이제까지 주로 사용되던 PVB에 비해 40% 이상 가벼운 무게이다.

또 다른 좋은 예는 새로운 이오노머 봉지 필름인데, 이는 박막 필름 유리 모듈에서 말단을 봉할 필요성을 없애 모듈 제조업체는 말단 봉합이 필요한 일반적인 봉지에 비해 전지판 당 3유로달러를 절약할 수 있다. 이 이오노머 봉지는 기본적으로 물과 산소가 모듈에 침투하는 것을 방지하는 능력이 뛰어나다.

위의 예는 최근의 소재 혁신이 시스템 비용 감소에 어떻게 도움이 되는지 보여주는 두 가지의 예일 뿐이다. 확실한 것은 수십 가지의 소재 혁신이 다양한 경로로 곧 시장에 선을 보일 것이고 이러한 소재 혁신을 통해 그리드 패리티 달성은 그만큼 앞당겨질 것이라는 사실이다.

난관에 대처하기

소재 공급업체는 태양광 산업이 그리드 패리티에 도달할 수 있는 혁신을 제공하기 위해 상당한 투자를 감행해야 한다. 소재 공급업체는 또한 그림 2에서 제시된 바와 같이 2010~2020년 동안 연간 25% 이상의 모듈 생산량 증가가 예상되는 만큼, 급속한 성장과 보조를 맞추기 위해 상당한 자본 지출을 해야만 할 것이다.

듀폰은 현재와 2010년 말 사이에 태양광 산업에서 소재 공급업체들의 자본 지출이 800억달러를 초과할 것이라고 예측했다. 이 자본 지출 중에서 가장 큰 부분은 실리콘 메탈 생산업체에서 지출될 것으로 예상한다.

태양광 산업에서 듀폰의 위상

듀폰은 25년 전에 업계에 뛰어든 이후로 태양광 산업에서 혁신의 선두주자였고 현재도 여전히 성능과 품질에 대한 새로운 산업 표준을 이끌고 있다. 듀폰은 이 태양광 산업의 폭발적인 성장을 지원하기 위해 용량 확장에 지속적으로 투자하고 있고 이 산업 내에서 다양한 애플리케이션에 대처하기 위해 새로운 혁신 기술 개발에 매진하고 있다. 제품 개발과 제조 용량 증가에 상당한 투자를 하고 있는 듀폰은 신기술과 소재 혁신을 통해 이 태양광 산업이 그리드 패리티에 도달할 수 있기까지 큰 힘이 되어줄 것으로 평가된다.

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