관련 통계자료 다운로드 태양전지 셀 기술 현황
이명박 정부가 내세운 ‘저탄소 녹색성장’의 핵심 테마로 주목받고 있는 분야가 바로 청정 무공해 ‘태양 에너지’다. 태양 에너지를 이용하는 세 가지 방법 가운데 대표적인 것이 태양전지를 이용해 태양광을 직접 전기로 변환시켜 사용하는 태양광 발전이다. 이는 온수 및 난방 공급용 저온 태양열 이용법과 오목거울 반사경이나 렌즈를 이용하는 고온 태양열 에너지 생산과 차별화된다. 이 태양광 발전 관련 기술은 우리 나라가 경쟁력을 갖추고 있는 PDP나 LCD 제조 공정과 유사한, 특화된 반도체 소자기술이다. IT의 메카 ETRI 등이 기술 개발에 나서는 이유다. 이 기술을 중심으로 시장 분석과 기술 개발 추세 등을 분석해 본다.
◇실리콘 사용 반도체 앞질러=실리콘을 주 원료로 하는 1세대 결정형 태양전지가 태양광 발전 시장의 90% 이상을 장악하고 있으나 석탄이나 석유, 가스에 비해 발전단가가 5∼20배나 높아 수지가 맞지 않는다.
이로 인해 2세대 기술이 대안으로 부상하고 있다. 2세대 박막 태양전지 시장 점유율은 실리콘(5.2%), CdTe(4.7%), CIGS(0.5%) 등이 전체 시장의 10%를 차지한다. 아직 미미하다.
지난해 이 분야 생산량은 미국의 퍼스트 솔라가 307㎿로 가장 많고, 이어 유나이티드솔라, 카네카, 트로니, 샤프, 워스 솔라, 시노나, MHI, 후지전지, 방콕 솔라 순이다.
최근엔 샤프와 혼다 등에서 GW 상용화 계획을 발표하는 등 조만간 박막 전지의 태양광 시장 점유율이 20%를 넘어설 것으로 전망되고 있다.
수요 또한 급증해 ETRI가 동양제철화학의 데이터를 인용해 분석한 내용에 따르면 세계 폴리실리콘 사용량은 올해를 기점으로 반도체용이 2만8300톤, 태양전지용이 3만1400톤으로 역전된다. 또 공급량이 수요를 따라가지 못해 올해 4500톤, 내년 5600톤, 오는 2010년 8100톤으로 갈수록 공급부족현상이 나타날 것으로 예측했다.
◇태양전지 효율 어떤 게 높나=태양전지의 성능을 결정짓는 핵심요소는 내구성과 반도체 특성을 이용하는 변환효율이다. 태양전지에 들어온 태양광 에너지를 얼마만큼 전기 에너지로 변환시킬 수 있는가를 나타내는 값이 효율이다.
이 효율이 가장 높은 품목은 실험실 효율이 36%에 달하는 결정형 기반의 갈륨-비소-인(GaAsP)이다. 이어 단결정 Si가 최대 25%, 비실리콘 계열이 19% 선이다. 생산 비용으로 보면 오는 2010년 와트당 단결정 실리콘이 2달러 선, 비정질 실리콘이 1.25달러, 비실리콘 계열이 0.8∼1달러 수준이 될 것으로 전망한다. 이를 분석하면 결정형은 공정 및 소재가 여전히 고비용이라는 단점이 있고, 박막형은 생산단가가 저렴한 반면에 내구성이나 효율이 다소 떨어지는 문제가 풀어야 할 숙제다.
전문가들은 차세대 저가형 태양전지로 CIGS를 꼽고 있으며, 차차세대 초저가형으로는 염료감응 및 3세대 태양전지인 유기 및 나노 재료가 될 것으로 보고 있다.
◇업계 박막 태양전지로 이동 중=세계 태양전지 산업계 판도는 1세대인 단결정(42%)과 다결정 실리콘(43%)이 세계 생산량의 85% 이상을 차지하고 있다. 그러나 기존의 1세대는 태양전지 두께가 180∼220㎛의 기판에 제조하기 때문에 원재료 값이 비싸 저가 박막형 태양전지 연구가 한창이다.
2세대인 박막형은 박막 실리콘(12%), CdTe(2.7%), CIGS(0.2%), 염료감응형(0.1%) 등이 시장을 형성하고 있다.
국내에서 원재료는 소디프신소재와 동양제철화학, KCC, 삼성석유화학 등이 생산한다. 잉곳은 렉서, LG실크론, 스마트에이스, 시미포니에너지, 웅진에너지, 퓨처 비전, 퀄리플로나라테크, 솔믹스, 웨이퍼는 스마트에이스, LG실트론, 네오세미텍, 넥솔론, 렉서, 대산이엔씨, MEMC코리아 등이 생산 중이다. 셀은 KPE, 현대중공업, 신성엔지니어링, LG전자, STX솔라, 미리넷솔라, 한국철강, LG디스플레이, LG화학, LG 마이크론 등이 있다.
그러나 아직까지 2세대도 효율이 결정형 실리콘 태양전지에 비해 낮고 대량생산에 소요되는 단위 제조 장치의 규모가 크고 가격이 비싼 단점이 있다. 대면적 박막을 고속, 고수율, 저가로 제조할 수 있는 장비 개발이 필수적인 이유다.
이 공정은 우리 나라가 우위를 점하고 있는 PDP/LCD 대면적 평판 디스플레이 제조 공정과 유사하기 때문에 해볼 만한 경쟁이라는 분석이 나오고 있다.
전용섭 ETRI 태양광전환기술연구팀장은 “CIGS는 박막전지의 광변환 효율이 실험실 수준이긴 하지만 20%로 벌크형 실리콘 태양전지(24%)와 큰 차이가 없는데다 미국의 나노솔라에서 나노입자 비진공 증착법을 이용해 저가의 CIGS 태양전지 개발 및 파일럿 생산에 성공해 박막 태양전지 저가화에 새 돌파구를 마련하는 등 상용화 가능성이 크다”고 말했다.
대전=박희범기자@전자신문, hbpark@