Update2024.05.04 (토)
각국 태양전지소재 기술개발 동향
■국가별 동향(미국)
미국·일본·유럽에서는 기존의 결정질실리콘을 대체하고 나아가서는 기존의 발전방식과 경쟁이 가능한 태양전지의 연구개발을 국가적인 차원에서 계획하고 추진하고 있다. 2004년에는 미국·일본·유럽이 각각 정부주도로 2030년을 겨냥한 장기 기술개발 계획을 수립한 바 있다.
우선 미국의 경우를 살펴보면 1980년대 이후 DOE 주도로 5년 주기로 국가 차원의 National Photovoltaic Program 을 지속적으로 추진한 바 있다. 이어서 2050년까지를 장기적인 관점에서 차세대를 겨냥한 ‘Photovoltaic Beyond the Horizon’ 사업으로 다양한 소재 및 공정을 광범위하게 연구개발을 추진했는데, 주로 태양전지·모듈 등 요소 기술의 저가격 고효율화에 중점을 두었다.
현재는 2008-2012 5년 기간의 SETP (Solar Energy Technologies Program)의 이름으로 태양광을 중심으로 한 태양에너지 전반에 관한 기술개발을 추진하고 있다.
미국은 2007년 당시 부시 대통령이 주창한 SAI (Solar America Initiative)라는 이름으로 2015년까지 태양광발전 전기 생산단가를 계통선의 발전단가에 버금가도록 하기 위한 목표를 설정하고 산·학·연이 협력하는 집중적인 기술개발과 상업화에 착수했는데, SETP는 SAI 라는 큰 틀에서 추진되는 연구개발과 관련 프로그램이다. SAI에서는 장기적으로는 초저가 초고효율 태양전지의 구현을 위한 원천기술개발에도 일정 부분의 예산을 투입해 대학교가 이를 주도케 하고 있다.
SAI는 2015년까지 태양광 발전 단가를 기존 계통선에서 공급하는 것과 동일한 수준($ 0.05-0.1/kWh)에서 공급하는 것을 목표로 기술적인 문제 및 비 기술적인 장벽을 제거하는데 중점을 두기로 했다. 중기적으로는 태양광 보급을 증대시켜 2015년까지 5,000MW 보급, 이산화탄소 방출량 연간 700만톤 감소, 신규 고용 1만명 등을 목표로 설정했다.
연구개발은 기술 수준에 따라 단기적으로는 1, 2세대 결정질실리콘 및 박막 태양전지에, 중기적으로는 1세대 결정질실리콘의 개선 및 박막 태양전지에, 그리고 장기적으로는 새로운 소재 개념의 3세대 태양전지 개발을 겨냥하고 있다.
기술 수준에 따라 크게 세 분야 프로그램으로 구분해 연구개발 과제를 선정했다.
Technology Pathway Partnerships (TPPs)
- 기업 주도로 대학 및 연구소가 참여하는 기술개발
Photovoltaic Technology Incubator Selections
- 신 공정 및 제품의 상업적 가능성 탐색
- 국내 태양광산업의 혁신과 성장 촉진
- 상업화 이전 기술의 조기 상업화 구축 및 세계적 수준으로 육성
- 대상 기술 : 저가 박막 Si 및 다중접합, 박막 제조기술 혁신,
저가 고배율 집광형, 저가 다중접합
Future generation photovoltaic devices and processes selections
- 기본연구와 응용연구사이의 간극 최소화 연구
- 향후 잠재성 높은 기술에 대한 시드, SAI 목표 능가 가능한 체제 구축
- 대학교 대상 기술 : 나노, MEG, Plasmonics, Tandem,
■국가별 동향(일본)
일본은 1970년대부터 Sunshine 계획, 1990년대에는 New Sunshine 프로그램의 추진을 통해 태양전지에 대한 기술력을 크게 신장시켰다. 2001∼2005년 기간에는 Photovoltaic Power Generation Technology R&D 계획 하에 첨단 태양전지 기술을 개발하였다. 2006년부터 2010년까지는 아래 3개 프로젝트를 추진 중에 있는데, 미래기술 연구개발과 실용화 가속 기술개발 프로젝트가 태양전지소재 및 소자에 관한 것이다.
3개의 프로젝트는 △태양광 미래기술 연구개발 △태양광 실용화가속기술개발 △태양광 공통기반기술 연구개발이다.
‘태양광 미래기술 연구개발’의 핵심은 ‘R&D for next generation PV systems’으로 2030년의 태양광 발전단가 목표 달성을 위한 요소 기술개발로 주 대상 기술은 다음과 같다.
-CIS 박막 태양전지 : 저온 공정개발, 경량 기판 태양전지, wide bandgap 소재
-Si 박막 태양전지 : 미결정 Si 박막 대면적, 고속 증착, 탠덤 구조 태양전지
-저가 염료감응 태양전지 : 새로운 염료, 탠덤 구조, 모듈 공정
-차세대 초박형 결정질실리콘 태양전지 : 두께 : 100 μm
-유기박막 태양전지
-차세대 기술 탐색 : 초 고성능 태양전지 기초 연구, 저가화 및 내구성 향상
‘태양광 실용화 가속 기술개발’의 요소 기술개발 주요 기술은 다음과 같다.
- 미결정 탠덤 태양전지의 저가 기술개발
- 실리콘 회수 및 재생기술개발
- 구상실리콘을 이용한 고정식 집광형 구상실리콘 태양전지의 양산화 기술개발
이와 함께 2008년부터는 초고효율 태양광발전기술개발을 목표로 한 혁신적 태양광발전기술개발 프로젝트를 추진하고 있다.
일본은 2004년에 ‘PV 로드맵 2030’을 발표한 바 있는데, 2009년 이를 다시 ‘PV 2030+’ 라는 이름으로 바꾸어 2050년대를 겨냥한 장기 목표를 설정하고 있다.
■국가별 동향(EU)
유럽은 유럽연합 주도의 Framework 프로그램(이전 명칭 JOULE 프로그램)으로 다양한 소재 및 태양전지 장기 연구개발을 추진하고 있다.
유럽 집행위원회 주도로 2005년에 ‘A Vision for Photovoltaic Technology’를 발표해 2020년까지 첨두부하, 그리고 2030년까지 기저부하의 발전단가와 경쟁 가능한 태양광 개발 계획을 발표한 바 있고, 2007년에는 ‘Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar Energy Technology’ 라는 태양광 연구개발 아이템을 확정한 바 있다. 소재부터 시스템까지 포함하고 있으나 핵심은 태양전지 및 모듈의 소재, 변환 원리 및 소자, 공정, 조립(장비 포함) 등이다.
유럽의 SET (Strategic Energy Technology) Plan에 의하면 2020년까지 태양광으로 전체 전력의 12%를 충당을 목표로 설정해 놓고 있다.
美·日·EU 장기목표 따른 집중투자
Si·非 Si 원천기술 확보 경쟁 심화
■국가별 동향(한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
미국·일본·독일 등이 1970년대 석유 파동 이후 20년 이상 태양전지 기술개발에 주력하는 동안 한국에서의 기술개발 활동은 미미한 수준에 불과했다. 일부 출연연구소와 대학 실험실에서의 기초연구가 전부였고, 그 또한 연구비 부족으로 지속적인 추진이 어려웠다. 기업 활동 역시 태양광 모듈 조립, 시스템 설계·설치 등에 국한됐다.
그러나 2004년 이후 정부의 기술개발 및 보급 지원정책으로 많은 기업들이 태양전지를 비롯한 관련 분야 사업에 진출했고, 상당수 대기업들도 사업을 준비 중에 있어 소재부품부터 시스템까지 모든 제품을 국내에서 조달 가능하게 됐다.
정부는 2030년까지 태양광 발전을 약 3,500MW로 확대될 계획인데, 이를 위해 발전차액지원제도, 공공건물의 신재생에너지 상용의무 강화, Green Home 100만호 공급사업 등 적극적인 지원을 펼쳤다. 이런 정부의 노력으로 국내 태양광 보급은 2004년도 3MW에서 2008년도 기준 276MW로 비약적인 발전을 이뤘으며 이와 함께 국내외 시장 확대 전망에 따라 민간투자도 급격히 증가하고 있다.
한편 정부는 2009년 7월에는 축소된 시장의 확대를 위해 신재생에너지 의무 할당제(RPS) 시범사업을 발표한 바 있는데, 3년간 태양광발전 설비 101.3MW를 보급할 계획이다. 2009년 21MW, 2010년 32 MW, 2011년 49.8 MW 보급이 예정됐다.
시장의 확대를 위해 2012년부터 본격적인 RPS 제도를 도입토록 돼 있는데, 태양광의 경우 2012년부터 2016년까지 5년간에 1,200MW가 계획돼 있다.
연구개발은 지식경제부가 지원하는 신재생에너지기술개발사업으로 추진되고 있는데, 추진 기관 및 기술개발의 성격에 따라 2가지 유형에 4가지로 구분하고 있다.
중장기 대형 과제
- 전략기술 : 기업 주관으로 미래시장 선점, 수출산업화 목표의 고위험 고수익의 전략 기술 대상, 지원 규모 매년 100억 원 내외, 기간은 5년 이내
단기 소형 과제
- 원천기술 : 대학, 연구소 주관으로 미래원천 기술 개발 목표, 지원 규모 매년 10억 원 내외, 기간 3년 이내
- 핵심기술 : 기업 주관으로 핵심부품 개발, 조기 상용화 가능한 기술 대상 지원 규모 매년 20억 원 내외, 기간 3년 이내
- 실증연구 : 기업 주관으로 기술개발품의 조기 상용화 목표, 지원 규모 제한 없음
현재 태양전지와 관련한 연구과제는 결정질 Si이 16개, 박막 Si과 박막 화합물이 16개, 염료감응과 유기 태양전지가 15개다.
2009년 에너지자원기술기획평가원이 발표한 그린에너지 중 태양광 분야 전략 로드맵은 아래 그림과 같다.
◇기술경쟁력 분석
2010년 태양광 관련 전문가 설문조사 결과 국내 태양광 기술(주변장치, 시스템 포함한 전체)은 국외 기술수준 대비 86.6% 수준으로 평가되며, 전체 국산화율은 설계분야에서 89.5%, 제작/생산 분야에서 78.9% 정도인 것으로 보고된 바 있다.
그 중에서 국내 결정질 실리콘 태양전지 분야는 제조업체의 주도로 개발돼 왔는데, 독일·일본·미국을 비롯한 선진국 대비 단결정 실리콘 태양전지 기술 수준은 90.8%, 다결정 실리콘 태양전지는 91.3%로 조사됐다. 그리고 박막 태양전지는 상대적으로 기술 수준이 낮은 것으로 조사됐다.
■국내외 주요 기업의 생산활동
모듈 기준으로 태양전지 생산량은 매년 45% 이상의 성장률을 보이고 있다. 2009년도 생산량은 약 1만2,300MW인데, 국가별로는 중국, 대만의 성장세가 매우 주목된다. 2009년 기준 중국의 점유율은 무려 38%다.
개별 기업별로는 미국의 First Solar 사가 CdTe 박막 태양전지만으로 생산량 1GW를 상회해 1위로 올라섰고, 이어서 중국의 Suntech, 일본의 Sharp, 그리고 독일의 Q-Celll 순위이다. 역시 중국 기업들이 대거 선두에 포진해 있음을 확인할 수 있다.
한국은 모듈 기준으로 2009년 약 380MW를 생산했는데, 이는 전 세계 생산량의 약 3%에 해당한다.
전 세계적으로 태양광 분야에는 40개국에서 약 400여개의 회사가 활동 중인데, 분야별 주요 기업 현황은 아래의 표와 같다. 국내에서도 이제는 태양광 전 분야의 가치사슬에 걸쳐 많은 수의 기업들이 생산에 참여하고, 최근에는 대기업의 참여가 현저해지고 있다.
2014 年 30GW 시장 형성 예상
국내 반도체 기술 활용 시 경쟁력 강화
■시장규모 및 전망
2009년 한해 실제로 설치된 태양전지는 모듈 기준으로 약 7.2GW였다. 금융위기의 여파로 2009년도 전 세계 태양광 시장은 전년 대비 그 규모가 줄어들 것으로 전망됐으나 예상 밖으로 증가해 태양광에 대한 관심이 식지 않았음을 보여줬다.
연도별 추이를 보면 2008년에는 스페인이 1위였으나 2009년에는 큰 폭으로 줄어들었고, 독일이 1위로 올라섰다. 이어서 이탈리아, 일본, 미국, 체코, 벨기에, 프랑스, 중국의 순으로 많이 보급됐다.
향후 전망에 대해서는 우선 2010년의 경우 연간 시장이 약 15GW에 달해 2009년 대비 100% 이상 증가할 것으로 전망됐다. 유럽태양광산업협회(EPIA)는 2012년 19GW, 2014년에는 약 30GW가 될 것으로 예측하고 있다.
국내에서는 2008년 한해 276MW가 보급돼 전 세계 4위를 기록하기도 했으나 2009년에는 약 84MW가 보급돼 시장이 많이 위축됐다. 향후 시장은 점차로 증가할 것으로 예상된다.
■연구개발 과제
기술별 세부 연구개발 과제는 다음과 같다.
◇결정질 실리콘 태양전지
원소재인 폴리실리콘의 제조단가 저감 기술
박형화 또는 Kerf loss 최소화를 통한 실리콘 사용량 최소화 기술
후면전극형, 이종접합 구조에 의한 변환효율 향상 기술 (소재 및 소자 구조)
◇박막 실리콘 태양전지
고효율화를 위한 tandem, triple-junction 등 적층 기술
고품질 μc-Si 박막증착을 위한 장치 및 공정기술 : 대면적화·고속화
밴드갭 제어 광흡수층 소재 및 공정
◇CIGS 박막 태양전지
고효율화 탠덤 구조 기술
인듐(In) 저감 또는 대체 소재
카드뮴(Cd) 대체 소재
저가격 비진공 공정 기술
유연기판 소재 및 공정 기술
◇염료감응 및 유기 태양전지
고효율화·고신뢰성 소재 및 소자
■국내 태양광 산업이 나아갈 방향
◇박막 태양전지 및 차세대 기술 선택 우위
실리콘 웨이퍼 태양전지와 박막 태양전지는 그 기술이 반도체와 디스플레이 기술과 유사해 이 분야에서 기술우위를 점하고 있는 우리나라는 엄청난 잠재력을 갖고 있다. 하지만 그 잠재력을 현실화하기 위해서는 원천기술의 개발을 목표로 한 체계적이고 집중적인 노력이 수반돼야 한다.
기술개발 측면에서는 웨이퍼 실리콘 태양전지 보다는 점차로 시장 점유율을 확대하고 있는 박막 태양전지 분야에 집중하는 것이 올바른 선택이다. 현재의 상업용 및 실험실 기술 외에 태양전지의 경제성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 아이디어의 발굴 및 이를 실험실적으로 뒷받침할 수 있는 원천기술개발에 반드시 정부 기술개발비의 일정 부분(적어도 10 %)을 할당할 필요가 있다.
◇공동연구센터 구축
당면한 과제인 선진국과의 기술격차를 조기에 해소하는 방안으로, 기업의 생산 및 기술개발을 지원하고 산·학·연의 연구역량을 한데 모을 수 있는 공동연구센터의 설립을 조기에 추진할 필요가 있다.
◇연구개발 컨소시엄 구성
제품 생산 및 보급의 핵심 주체인 기업의 입장으로서는 선진국과의 기술격차, 대규모 초기투자 등의 위험을 부담해야 하는 태양전지 산업의 특성상 사업 진출이 부담스러울 것이다. 하지만 환경 친화적인 에너지 공급 기술이라는 장점에 새로운 산업으로서의 급성장 가능성을 동시에 고려한다면 과감한 투자 아니면 컨소시엄 구성을 통해 위험을 분산하는 것도 초기 대응 방식으로 고려해 볼 만하다.
