Update2024.05.17 (금)
Si 태양광발전의 한계, 나노소재가 극복한다
■ 기술의 개요
◇ 기술의 정의
태양전지는 단결정 실리콘, 박막형 화합물반도체와 같이 무기반도체 기반 태양전지, 유기 혹은 무/유기 하이브리드 소재 기반의 태양전지로 분류할 수 있다. 여기서 나노구조 및 나노소재를 이용해 태양전지의 효율을 극대화하는 태양전지는 다음 그림에서 점선으로 묶은 염료감응태양전지, 유기 태양전지, 하이브리드 태양전지로 볼 수 있다. 이와 같이 태양전지용 나노소재 기술은 차세대 태양전지에 적용되는 나노 소재와 이들의 나노 구조화 기술로서 제조 단가를 저가화 함과 동시에 에너지 변환효율을 고효율화 할 수 있는 차세대 태양전지를 실현한다.
◇ 기술의 분류
차세대 태양전지에 이용되는 나노소재는 소재의 역할에 따라 크게 △태양광을 흡수해 전자-정공 쌍을 만드는 ‘광 흡수 소재’ △전자를 전달하는 ‘전자 전달 소재’ △정공을 전달하는 ‘전공 전달 소재’로 분류되며 단일 소재가 두 가지 이상의 역할을 할 수도 있다.
■ 환경변화
◇ 태양전지의 필요성 재조명
화석연료로부터 에너지를 얻는 과정에는 이산화탄소의 배출이 필연적이다. 지구 온실효과와 기후변화를 촉발하는 대기 속 이산화탄소의 수위는 현재 심각한 상황으로 화석연료를 대체할 미래형 에너지 개발이 시급하다.
이산화탄소 배출량이 낮은 중요한 에너지원으로서 원자력 발전이 있지만, 2011년 동일본 대지진 이후 전 세계적으로 원자력을 반대하거나 원자력 발전 비중을 낮춰야한다는 여론이 다수를 차지하고 있다. 독일은 국가 전력 생산량 가운데 현재 약 18% 수준인 신재생에너지원 비율을 2020년 35%로 높여 원자력발전에서 완전히 탈피하고, 2030년에는 이 비율을 66%까지 끌어올린다는 정책 청사진을 갖고 있다. 일본은 2012년 7월부터 신재생에너지 특별 조치법을 발효하는 등 후쿠시마 원자력발전소 사고에 의해 기존 원자력 발전 중심의 에너지 정책을 근본적으로 재검토해 신재생에너지의 개발을 가속화하고 있다.
2011년 세계 태양광시장은 전년대비 58% 성장한 28.8GW(기가와트)가 설치됐으며, 유럽재정위기에도 불구하고 2012년 태양광시장은 32GW가 신규 설치될 것으로 전망됐다. 또한 유럽 중심의 태양광 수요가 이머징 마켓으로 확산되고 있어 태양전지 시장 규모는 지속적으로 확대될 것으로 전망된다.
◇ 비실리콘계 차세대 태양전지 기술의 필요성
전체 태양전지의 시장의 90%를 차지하는 실리콘계 태양전지는 고가의 제조 공정이 필요하며 더 이상의 저가격화에 한계가 있다. 또한 2012년 현재 세계시장의 50%를 점유하는 중국 기업의 대량생산 저가공세(중국 0.87달러/W, 한국 1.03달러/W)로 인해 많은 태양광 기업들이 도태되는 등 태양광 산업은 구조조정이 진행 중이다. 이처럼 어려운 업황 속에서 태양광 산업의 부흥을 위한 열쇠는 기술력 확보다. 즉, 가격이 저렴하고 저가의 공정 적용이 가능하면서 태양에너지로부터 전기로의 변환효율이 높은 차세대 태양전지 기술개발이 필요하다.
■ 기술의 중요성
◇ 나노소재 원천기술 확보를 통한 기술경쟁력 우위 확보
태양전지 효율향상의 9가지 에너지 손실요인은 다음과 같다.
○ Loss due to non-absorption of long wavelengths
○ Loss due to thermalization of the excess energy of photons
○ Loss due to the total reflection
○ Loss by incomplete absorption due to the finite thickness
○ Loss due to recombination
○ Loss by metal electrode coverage, shading losses
○ Loss due to voltage factor
○ Loss due to fill factor
○ Loss due to scale-up
현재 단결정 실리콘 기반의 단일 밴드갭을 가진 태양전지의 효율은 25% 정도다. 이 값은 투입되는 태양에너지를 기반으로 계산되는 열역학적 이론 한계 값(shockley-queisser limit)인 30%에 근접한다. 이러한 열역학적인 한계 효율은 단일 밴드갭을 가진 소재를 이용하는 경우, 여분의 태양에너지를 활용하지 못하기 때문이다. 따라서 양자 구속 효과를 갖는 양자점을 이용한 다중여기자(multiple exciton generation)와 핫캐리어(hot carrier) 기술, 탠덤구조화 기술 등을 활용하면 이 값을 약 60%까지 높일 수 있다. 즉 새로운 개념의 나노기술 및 나노 소재를 활용하면 태양전지 효율의 획기적인 향상이 가능하다. 이에 따라 전 세계적으로 신규 나노 소재 및 나노 구조의 개발을 통해 저가·고효율의 태양전지 기술을 확보하기 위한 연구가 진행되고 있다. 기존 실리콘 태양전지 분야에서 중국에게 가격 경쟁력을 빼앗긴 우리나라로서는 나노소재 원천 기술 확보를 통한 기술 경쟁력의 우위를 선점하는 것이 반드시 필요하다.
◇ 저가격·고효율 달성을 위한 나노소재 및 나노구조 개발의 필요성
태양전지의 확대를 위해서는 태양전지효율과 제조비용을 획기적으로 낮추는 기술개발이 필요하다. 소재 자체를 제조하는데 과도한 장치 및 공정을 필요하지 않아 소재 자체의 가격을 낮게 할 수 있으면서 동시에 태양전지 제조 공정도 고가의 장비 투입 없이 단순한 인쇄공정의 적용이 가능한 소재의 개발이 요구된다.
저가격을 만족하면서 소재의 나노화에 의한 부수적인 효과, 즉 다중여기자(multiple exciton generation)와 핫캐리어(hot carrier) 기술 및 탠덤구조화 기술이 가능한 나노소재의 기술 개발이 매우 중요하다. 이에 더해 서로 다른 이종 소재간 나노구조화가 가능한 소재 및 소자 기술 개발도 필요하다.
결론적으로 향후 전 세계 태양전지의 기술적인 우위를 확보하고 신재생 에너지 보급률을 획기적으로 향상시키기 위해서는 차세대 태양전지용 나노 소재 및 나노 구조를 위한 기술 개발이 필수적이다.
■ 기술분야별 동향
나노구조 및 나노소재를 이용한 차세대형 태양전지는 세부 기술에 따라 다소 차이가 있지만, 광을 흡수하고 광의 흡수에 의해 생성된 엑시톤이 계면에서 분리돼 자유 전자 및 홀이 돼 외부로 흐르게 할 수 있는 기술이 필요하다. 이에 따라 본고에서는 광흡수용 나노소재, 전자전달체용 나노소재 및 정공전달체용 나노소재로 크게 나누어 기술분야별 동향에 대해 기술하고자 한다.
◇ 광 흡수 나노 소재
○ 양자점 소재
양자점 소재는 그 크기가 물질 고유의 보어 반경보다 작아지면서 양자 구속 효과가 나타나는 나노 소재이다. 양자 구속 효과가 나타나기 시작하는 나노 크기 양자점은 그 크기에 따라 밴드갭을 제어 할 수 있어 태양전지 설계에 큰 장점을 갖는다. 태양전지용 반도체 나노입자는 1993년 미국 IBM의 C. B. Murray가 CdE(E = S, Se, Te)형 반도체 나노 입자의 화학적 제조방법에 대해 보고한 이래 다양한 재료에 대해 양자 구속 효과를 가지는 반도체 나노 입자 제조가 보고돼 왔다. 2005년 미국 UC 버클리의 A. P. Alivisatos 교수팀은 CdTe/CdSe 콜로이드 양자점 다층박막을 이용해 2.9%의 효율을 가지는 태양전지를 처음으로 보고했다.
최근 미국 코넬대학교는 금속전극과 투명 전도막 사이에 위치한 콜로이드형 양자점(PbSe)에 전자 전도체로서 ZnO 나노입자와 홀 전도체로서 PEDOT:PSS [poly(3,4-ethylenedioxy thiophene):poly- (styrenesulfonate)]를 코팅하는 방법으로 효율이 3.4%인 태양전지 개발을 발표했다. 또한 캐나다 토론토 대학의 E. H. Sargent 교수팀은 2005년 PbS 나노결정과 MEH-PPV 고분자 도너물질과의 하이브리드 형태의 포토디텍터 및 광전지소자와 최근 hybrid passivation을 통해서 표면이 안정화된 PbS 나노결정을 이용해 7.0%의 효율을 가지는 태양전지를 보고했다.
최근에는 양자점을 이용한 단순한 밴드갭 조절 특성을 이용하는 수준이 아닌 다중여기자생성 및 핫캐리어 수집에 관한 연구가 주목 받고 있다. 최근 미국의 NREL(National Renewable Energy Lab.)의 A. J. Nozik 박사 연구팀은 2011년 PbSe 양자점을 이용한 다중여기자생성 특성을 실제 소자에서 구현했다.
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○ 무기 광흡수 소재
넓은 의미에서 양자점은 무기 광흡수 소재에 포함 되지만 양자 구속 효과가 나타나지 않는 무기 소재를 무기 광흡수 소재로 분류했다. 무기 광흡수 소재는 유기 소재에 비해 흡수계수가 상대적으로 크고 안정된 장점이 있어 최근 고체 박막형 소자 구조로 주목을 받고 있다. 이스라엘의 Weizmann 과학기술대학의 G. Hode 교수팀은 잘 알려진 염료감응태양전지에서 Sb2S3를 염료로 사용하고 고체형 홀전도체로서 CuSCN을 액체 전해질 대신에 사용해 효율이 약 3.4%인 태양전지를 제조했다고 보고했다. 그러나 고체홀전도체로 사용한 CuSCN은 칼코게나이트(chalcogenite)형 양자점 반도체와 반응해 시간이 지남에 따라 효율이 급격히 감소하는 문제점이 있다.
한국화학연구원 석상일 박사 연구팀은 2010년 유기 태양전지의 도너 소재로 잘 알려진 thiophene 계열의 poly(3- hexylthiophene) (P3HT)를 정공 전달 소재로 이용해 효율 약 5.1%의 태양전지 개발을 발표했다. 이것은 염료태양전지의 단점인 고가의 합성염료 대신에 저가이면서 열적/광적으로 안정된 무기반도체나노입자로 대체하고, 약체전해질 대신에 완전 고체인 유기 홀전도체를 사용했다는 것에 의의가 있다. 또한 염료감응태양전지의 구조에 유기태양전지와 무기반도체 태양전지의 장점을 모두 통합 혹은 결합해 효율이 높으면서 가격이 저렴한 무/유기 이종접합 감응형 하이브리드 태양전지(Inorganic- organic heterojunction sensitized solar cells)에 관한 세계 최초의 보고라는 점에서 의의가 크다. 석 박사 연구팀은 그 후 2011년 에 Sb2S3를 무기반도체 감응체와 홀전도성 다이와의 상호관계를 규명하고 신규 Poly[2,1,3-benzothiadiazole-4,7-diyl[4,4-bis(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta [2,1-b:3, 4-b']dithiophene-2,6-diyl]] (PCPDTBT)를 홀전도체로 사용해 6.2%의 효율을 가지는 태양전지를 보고했다. 또한 Sb2S3를 무기반도체 감응체가 흡수하지 못하는 근적외선 영역에 빛을 홀전도성 물질이 추가적으로 흡수해 생산할 수 있는, 소위 팬크로마틱형 광 수확이 가능한 신규 개념(홀전도성 염료)의 태양전지를 제안해 6.3%의 효율을 보고했다. 저가의 태양전지 제조 기술 개발을 위해서 향후 가격이 저렴한 무기 광흡수 소재에 관한 많은 연구가 진행될 것으로 예상된다.
○ 유기 광흡수 소재
대표적인 유기 광흡수 소재는 염료감응형 태양전지에 주로 사용되는 염료를 들 수 있다. 효율적인 염료의 조건으로 염료의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital)와 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 레벨이 전자 전달 소재, 정공 전달 소재와 전기적 준위가 맞아야하며 재결합을 막기 위해 빛을 흡수하는 염료의 기능기로부터 전자 전달 소재까지 전자의 흐름이 원활해야 한다.
초기의 염료는 N3, N719, Z907과 같은 루테늄계 컴플렉스를 이용했으나 높은 흡광계수의 요구로 유기 염료인 D102·JK2·C220·Y123 등이 보고됐다. 최근에는 적색/근적외선 영역을 흡수하는 Zn-포피린, Zn-프탈로시아닌 염료 등이 보고되고 있다.
최근 스위스 로잔연방공대의 Gratzel 교수 연구팀은 YD2-o-C8 포피린 염료와 Y123 염료의 공동 흡착을 통해 Co-complex 전해질을 이용해 12.3%의 효율을 가지는 태양전지 개발을 발표했다. 상기의 Co-complex 전해질은 기존의 요오드계 액체 전해질보다 개방전압을 높게 가져 올 수 있어 향후 추가적인 연구에 의해 보다 높은 효율 향상이 기대된다. 하지만 요오드계와 같이 여전히 액상의 전해질이면서 화합물 형태의 전해질이므로 내구성 확보가 가능할 것인가에 대한 의문이 강하게 남아있어 상용화에는 걸림돌이 될 것으로 예상된다.
◇ 전자 전달 소재
○ 금속 산화물 전극 소재
금속 산화물 전극은 광흡수체로부터 전달 받은 전자를 투명전극까지 전달하는 역할을 한다. 광흡수체의 빛 흡수를 방해 하지 않기 위해 큰 밴드갭을 갖는 동시에 높은 전자 이동도를 갖는 것이 중요하다. 1991년 스위스 로잔연방공대의 Gratzel 교수팀은 Nature지에 메조포러스(mesoporous) 다공성 TiO2 막을 이용해 효율 7%가 넘는 획기적인 광전 변환 효율을 가진 염료감응 태양전지 제조에 대해 발표했다. 이러한 태양전지의 제조에는 표면적이 기존에 비해 약 1000배 이상에 달하는 다공성이며 전자 전달특성이 우수한 TiO2 전자 전달체의 사용이 중요한 역할한다. 즉 넓은 표면적에 많은 양의 염료를 흡착 할 수 있어 두께가 비교적 얇은 전극에서도 많은 양의 빛 흡수가 가능하기 때문이다. 이러한 기술적 장점은 현재 염료대신에 양자효과를 가진 양자점 감응형 태양전지 등에 활발히 이용되고 있다.
전자전달체로 기능하는 금속 산화물 전극은 넓은 비표면적과 더불어 광흡수 소재와 전자 주입을 위해 전기적 준위가 서로 잘 맞아야하며 전자를 전달하는 동안 재결합이 일어나지 않는 것이 높은 효율을 얻기 위해 유리하다. 이러한 조건을 충족하기 위해 TiO2·SnO2·ZnO·Zn2SnO4 등의 산화물과 나노와이어, 나노 튜브 등의 나노 구조에 관한 연구가 활발히 수행됐다. 하지만 현재까지 기존의 메조포러스한 TiO2 막보다 우수한 금속 산화물 전극 물질이나 나노 구조는 보고되지 않고 있다. 최근 개발되는 다양한 신규 염료, 무기물 반도체, 양자점 등과 같은 광흡수 소재에 적합한 최적의 금속 산화물 나노 소재와 나노 구조의 개발을 통한 효율 향상에 관한 연구가 진행중이다.
○ 유기 n-형 반도체 소재
n-형 유기 반도체 소재는 현재까지 C60 및 C70 프러렌(fullerene)이 주류를 이루고 있다. 플러렌 C60은 탄소 60개가 축구공 구조로 결합된 방향족 공액계 화합물로 매우 안정되고 전자 이동도가 높다. 현재까지 개발된 n-형 유기 반도체 소재는 다음 그림에서 보는 바와 같이 이 플러렌에 치환기를 도입한 화합물이다.
◇ 정공 전달 소재
○ 무기 반도체 소재
정공 전달 소재는 높은 정공 이동도를 가지면서 광흡수 소재의 광흡수를 방해하지 않도록 밴드갭이 큰 것이 유리하다. 대표적으로 CuI 나 CuSCN 등이 효율적인 무기 반도체 정공 전달 소재로 사용되고 있다. 최근 미국 노스웨스턴 대학의 M. G. Kanatzidis 교수팀은 신규 무기 정공 전달 소재로 CsSnI3 물질을 이용해 8.5%의 효율을 갖는 전 고상 염료감응 태양전지를 보고했다.
○ 유기 p-형 반도체 소재
무기 정공 전달 물질에 비해 유기물은 용매에 대한 높은 용해도로 쉽게 용액 공정이 가능해 필름 형성이 용이하고 저가의 공정으로 생산이 가능하다는 장점이 있다. 대표적인 종류로는 고분자 유도체들인 poly(p-phenylenevinylene), poly(3-hexyl-thiophene), PCPDTBT 및 PCDTBT 등이 있고 저분자 물질도 spiro-OMeTAD를 비롯해 최근 많은 연구가 진행되고 있다.
■ 기술개발 주요이슈
◇ 고효율화
본고에서 기술하는 태양전지인 염료감응형 태양전지, 유기물 태양전지, 무/유기 하이브리드 태양전지, 양자점 태양전지 등의 효율은 10% 초반 혹은 그 이하로 아직 효율적 측면에서 실리콘계 태양전지, 박막형 태양전지에 비해 상당히 낮다. 비록 기존의 태양전지와 다른 Build-in Photovoltaic(BIPV) 혹은 소형기기 전력용 등의 응용처로의 활용, 낮은 제조 단가의 장점 등이 있지만 향후 15%정도의 고효율화를 달성하면 이러한 장점과 시너지를 이뤄 태양전지 시장에 상당한 파장을 일으킬 것으로 예상된다.
고효율화를 위한 방법으로 염료감응태양전지의 경우 최근 개방전압 향상을 가져올 수 있는 Co-complex계 전해질 사용, 장파장영역의 빛을 흡수 할 수 있는 새로운 염료 개발에 대한 연구가 필요하다. 유기태양전지의 경우에도 장파장대역의 태양빛을 흡수할 수 있는 밴드갭이 낮은 신규 도너 소재 및 개방 전압을 올릴 수 있는 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위 조절 및 억셉트 소재의 설계 및 합성이 필요하다. 무/유기 하이브리드 및 양자점 기반 태양전지는 상대적으로 밴드갭 조절이 쉬운 소재를 사용하고 있다. 따라서 광에 의해 여기된 광전자-홀의 재결합을 최소화 할 수 있는 다양한 구조의 태양전지 제조가 필요하다.
◇ 고체화
현재 차세대로 분류되는 태양전지 중 가장 높은 효율을 가지는 염료감응태양전지는 홀전도체로 액체 전해질을 사용한다. 이러한 액상형 염료감응형 태양전지는 기존의 결정질 혹은 화합물반도체 기반 태양전지에 비해 다양한 색깔을 가진 염료의 사용에 의해 장식적인 요소가 가미된 특징적인 기술 분야다. 그럼에도 불구하고, 액체 전해질 사용으로 인한 장기 안정성 부족으로 상용화에 어려움을 겪고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하면서 투명감이 있는 다양한 색깔의 고체상 염료감응 태양전지 개발이 필요하다.
◇ 유연 소자화
나노소재 및 나노구조 기반의 차세대 태양전지는 유기물과 무기물의 혼용 혹은 전체가 유기물을 사용해 제조되므로 유연한 기판을 사용하는데 유리하다. 유연한 기판위에 제작하는 태양전지는 기존 고가의 유리 기판을 대체해 제조 단가를 낮출 수 있다. 또한 제조 공정상 roll to roll 공정 도입으로 대면적 태양전지 제조에 용이하며, 기판 무게가 가벼워 태양전지 운반이 용이하며 설치비용을 낮출 수 있다.
◇ 저가격 소자화
나노소재 기반 차세대 태양전지의 가장 큰 기술적인 장점은 화학적으로 제조되는 나노소재를 활용해 제조한다는 점이다. 따라서 기존의 결정질 혹은 화합물 반도체 기반 태양전지에 비해 저가격화에 유리하다. 태양전지에서는 불가능한 인쇄 공정과 같은 매우 저렴한 공정의 개발의 필요하다.
■ 해외 동향-미국
◇ 연구개발 현황
미국은 에너지부(DOE)를 중심으로, “Beyond-the-Horixon PV project”, "Future Generation Photovoltaic Device and Processes project" 와 같은 국가적 프로그램을 가동해 매년 2,000만달러 이상의 연구개발 자금을 이 분야에 쏟고 있다. 대표적인 연구팀으로는 미국 캘리포니아 산타바바라 대학(UCSB)의 Heeger 교수팀을 위시해, UCLA의 Yang Yang 교수팀, University of Michigan의 S. Forrest 교수팀, University of California, Berkeley의 Alivisatos 교수팀, Georgia Tech의 “Center for Organic Photonics and Electronics (COPE)”, Univ. of Arizona의 “Optical Science Center”, Wake Forrest University 등을 꼽을 수 있다.
NREL(National Renewable Energy Lab.)의 유기태양전지(OPV) 로드맵에 의하면, 유기태양전지가 상업화되기 위해서는 셀 기준으로 10%이상의 효율과 3년 이상의 수명이 보장돼야 한다. 따라서 이러한 소자 성능의 개선과 함께 $1/Wp의 제조원가를 달성할 수 있게 되면 Konarka, Heliatek, Mitsubishim, Plextronics, Solarmer Energy 등의 업체에서 상업화를 추진할 것으로 예상된다.
최근에는 미국의 OPV 3대 벤처회사인 Konarka, Plextronics, Solarmer를 중심으로 신규 고효율 광활성 소재 및 대면적화 공정에 대한 연구가 추진되고 있다. Solar America Initiative(SAI) 사업을 통해 880만달러 규모의 연구비를 투입해 유기 태양전지 상용화를 추진하고 있으며 2015년까지 $0.25/kWh로 태양광 발전원가 목표를 설정했다. 하지만 2012년에 들어와 심화된 세계 경제위기에 따라 상용화 연구를 주도하고 있던 Konarka 사가 6월 1일 “연방 정부의 제 7 장에 따라 파산 보호 신청(Technologies Files for Chapter 7 Bankruptcy Protection)”을 신청해 관련 연구자 및 산업계 종사자에게 충격을 주고 있는 상황이다.
그러나 학계를 중심으로 차세대 태양전지 연구가 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어 미국 Northwestern University의 Kanatidis 교수팀은 2012년 N719를 염료로 사용하고 CsSnI3계의 유/무기 하이브리드 형태의 고체형 홀전도체를 사용해 8.5%의 전고체상 염료감응형 태양전지 개발을 발표했다.
PV시장 2012년 32GW, 2014년 41GW 전망…차세대 PV 점유율 낮아
韓 차세대 태양전지 상용화, 기존 PV시장 뒤집어…소재개발 투자 ↑ 必
■ 해외 동향-유럽
◇ 연구개발 현황
유럽연합은 JOULE 프로그램에 이어 FP(Framework Program)을 통해 차세대 태양전지 기술개발과 산업화에 집중투자하고 있다. 또한 최근에는 낮은 가격과 플렉시블하게 만들 수 있는 장점을 가진 유기태양전지분야의 기술개발과 투자에 대한 공통된 이해를 얻기 위해 2006년 11월, 국제 컨소시엄인 ‘OrgaPVNet’을 구성했다. 이 컨소시엄은 유럽에서 유기태양전지 연구의 협동화, 연구결과를 유럽 PV 산업으로의 이관 촉진, 유기태양전지 셀과 모듈의 표준 측정방법 확립과 효율 예측, 잠재 유기태양전지 시장의 예측, 유기태양전지에 따른 사회경제적인 문제의 제기 등의 역할을 하고 있다.
독일 BMBF(Federal Ministry of Education and Research) Technology Iinitiative는 2007년부터 BASF·Bosch·Merck·Shott에 5년간 4억7천만달러를 지원해 2013년에 수명 2~3년, 셀 효율 10%, 유기태양전지 제조비용을 $134/㎡ 달성을 목표로 한다. 특히 Heliatek GmbH사는 2012년 4월 1.1 cm2 크기의 셀 기준으로 10.7 %의 효율을 가진 유기태양전지(OPV) 개발을 발표했다. 그 외 유럽의 대표적인 연구팀으로는 덴마크의 RISO, 오스트리아 Johannes Kepler University의 N. Sariciftci 교수팀, 영국 캠브리지대의 Friend 교수팀, 네덜란드 Eindhoven Institute of Technology의 A. Janssen교수팀, 네델란드의 IMEC과 ECN, 핀랜드의 VIT 연구소를 들 수 있다. 또한 염료감응태양전지 분야에서는 이 전지를 최초로 개발한 스위스 로잔연방공대(EPFL) 화학과의 M. Gratzel 교수팀이 20여년 동안 선도적인 연구를 수행하고 있다.
■ 해외 동향-일본
◇ 연구개발 현황
일본은 1994년부터 지구온난화대책 및 에너지안보 차원에서 국산에너지를 확보하기 위해 태양광발전 도입정책을 적극 추진해 왔다. 2020년까지 태양광 발전을 현재의 10배, 2030년까지는 40배를 목표로 설정했다. 특히 동일본대지진 및 후쿠시마 원자력발전소 사고에 의해 기존 원자력발전중심의 에너지정책을 근본적으로 재검토해 재생가능에너지의 개발을 가속화하고 있다.
일본 태양광 시장 확대가 구체화된 계기는 ‘메가솔라’ 사업의 확대이다. 메가솔라는 대규모 태양광 발전소를 말한다. 메가솔라는 일본정부가 2012년 7월 1일부터 시행되는 재생가능에너지 특별조치법안에 힘입어 민간이 주도하는 태양광 발전사업이다. 2010년 6월 의결된 일본에너지기본계획은 2030년까지 2010년 당시 18%에 불과한 에너지 자급률을 두배로 끌어올리고, 원자력발전·재생에너지와 같이 탄소배출을 하지 않는 에너지원의 비율을 34%에서 70%까지 끌어올릴 예정이다. 이에 따라 2030년까지 태양전지 R&D의 장기전략 마련을 위해 “PV Roadmap Toward 2030 (PV2030)”을 마련했다.
PV2030에 맞추어 2006년부터 4년간 차세대 태양전지를 개발하기 위한 “R&D for Next Generation PV Systems" 프로그램을 시작했다. 2006년 예산 약 20억엔, 6개의 주제 중 CIGS, 유기박막 태양전지 등이 포함돼 있다. 2010년까지 유기태양전지 분야는 7%를 목표로 AIST, Matsushita Electric Works, Kanazawa Univ. Nagoya Inst. Tech., Kyoto Univ., Nippon Oil 이 참여하고 있다.
미쓰비시화학(Mitsubishi Chemical Corp)은 2001년부터 UCSB와 첨단 기능재료 분야 연구개발 제휴(MC-CAM, Mitsubishi Chemical Center for Advanced Materials)를 통해 2011년 중반에 유기태양전지용 광활성층 소재 관련 연구를 진행해 효율 8.5%를 달성하고, 2012년 6월에는 단분자형 유기 물질을 이용해 효율 11.0%의 태양전지를 제조했다고 발표했다. 현재 roll-to-roll 공정에 의한 파이롯트 규모의 생산시설을 설치하고 있다.
이외에 NIMS(National Institute for Materials Science)는 11.4%의 효율을 가진 염료감응태양전지 개발했고, Sumitomo Chemical Co.는 UCLA(University of California, Los Angeles)와 공동으로 10.6%의 탠덤형 유기태양전지 개발을 발표했다.
■ 국내 동향
◇ 연구개발 현황
국내의 유기태양전지 분야에 대한 연구는 외국에 비해 6~7년 정도 늦은 2000년대 초반부터 시작됐다. 부산대·인하대의 연구팀을 필두로 최근에는 서울대·광주과기원(GIST)·전북대·포스텍·KAIST 등에서 많은 연구가 수행되고 있다. 특히 광주과기원은 2005년 히거(Heeger) 신소재 연구센터를 설립해 미국 UCSB(University of California, Santa Barbara)와 공동으로 OPV전지 연구를 수행했다. 공동 연구결과로 텐덤 형태의 고분자 태양전지로서 2007년 기준 세계 최고의 효율인 6.5%를 Science 지에 발표했다.
출연(연) 중에서는 2003년 한국화학연구원(KRICT)에서 먼저 연구가 진행됐으며, 2011년 현재 신규 광활성 소재개발 분야에서 국내에서 가장 앞선 6% 이상의 에너지 전환효율을 구현했다. 인쇄유기태양전지 분야에서 화학(연)은 에어로졸젯 인쇄법을 통해 5.2%의 효율을 갖는 단위소자를 보고했다. 광주과기원·전북대·기계연·경희대 등 학계와 연구계는 고효율 인쇄 유기태양전지 구현을 위한 연구개발을 진행하고 있다. 최근 미쓰비시화학 등에서 보고하고 있는 저분자 광활성층 소재를 적용한 유기태양전지관련 분야는 아직까지 국내에서는 활발한 연구가 진행되지 않고 있는 상황으로 이 분야에 대한 연구개발이 시급한 상황이다.
무/유기 하이브리드 태양전지의 경우에도 화학(연)이 현재 전 세계적으로 가장 앞선 연구결과를 발표하고 있다. 최근 Sb2S3등 무기 광흡수제와 P3HT 혹은 PCPDTBT 공액 고분자를 이용한 무/유기 하이브리드 태양전지에서 이 분야 세계 최고인 변환 효율인 약 6%이상을 발표했다. 코오롱인더스트리에서는 유기태양전지를 적극적으로 추진하고 있으며, SK에너지·LG화학 등의 기업연구소에서도 큰 관심을 가지고 참여하고 있다.
현재 국내의 유기, 무/유기 태양전지에 대한 연구 역사는 선진국에 비해 짧고 연구 층도 매우 엷은 편이다. 하지만 산업계 및 학계에서 차세대 디스플레이 중의 하나인 유기 발광 소자에 대한 연구가 지난 10여 년간 국내에서도 활발히 진행돼 왔다. 현재 스마트폰에 적용되고 있는 유기발광소자 기술을 차세대 태양전지 개발에 응용한다면 선진국과의 기술 격차는 매우 빠른 시간 내에 줄일 수 있을 것으로 보인다. 서울대·고려대·성균관대 등 국내의 여러 대학에서는 유기태양전지의 구조에 바탕해, 무기물 나노입자가 가지는 우수한 광학적, 전기적 특성과 안정성을 기반으로 반도체나 나노 입자(quantum dot, nano structure, nano wire, 무기 dye)들을 고분자에 분산해 유기-나노입자 하이브리드 태양전지에 관한 연구가 진행되고 있다.
■ 산업 및 시장 동향
◇ 산업동향
현재 양산되고 있는 실리콘계 태양전지의 품질은 대체로 균일해 원가 경쟁력을 확보한 중국 업체와 품질 차별화를 통한 경쟁은 어려울 것으로 예상된다. 또한 세계 최대 규모인 연간 2.4GW의 생산 용량을 확보하고 있는 중국의 Suntech사는 향후 시설 투자를 더 계획하고 있어 국내 및 다른 업체들의 전망이 밝지 않다. 또한 세계 10위권 태양전지 모듈 생산 업체 중 5 곳이 중국 업체로 이들 업체는 대규모 투자를 통해 후발업체와의 격차를 확대하고 있다.
세계 태양광산업의 규모는 2011년에 메모리 반도체 산업의 규모를 뛰어 넘으며 2018~2020년경에는 반도체 산업 전체의 규모를 뛰어 넘는 거대 시장과 신산업군으로 자리 잡을 것으로 전망된다.
◇ 시장규모 및 전망
2012년 태양광시장은 32GW를 넘을 전망이며, 2014년 태양광시장은 41GW에 달할 전망이다. 태양광 발전 단가가 지속적으로 하락하고 있어 태양광 발전에 대한 수요는 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 또한 기존의 선진국의 수요뿐만 아니라 인도·태국 등의 아시아, 중남미 시장의 성장 가능성이 매우 높다.
차세대 태양전지는 효율이 낮아 상용화 연구가 더 필요하나 생산 단가가 매우 낮고, 빛의 세기가 낮아도 기존의 태양전지에 비해 고효율로 작동이 되며, 플라스틱과 같은 유연 기판위에 대면적으로 생산이 가능하다. 이에 따라 많은 화학 기반의 회사에서 차세대 태양전지를 신성장 동력으로 하고자 상용화 제품을 위한 연구 혹은 분위기를 탐색하고 있는 중이다.
그러나 이 분야 선도업체로 상용화 기술을 주도한 미국의 Konarka사가 파산하면서 현재 상용화에 대한 움직임이 극도로 움츠려 들고 있는 상황이며 시장규모의 예측 및 전망이 어려운 실정이다. 반면 효율과 안정성 측면에서 빠르게 기술 발전이 이루어지고 있고, 세계 태양광 산업이 안정된다면 급속한 성장을 할 것으로 전망된다.
■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향
◇ 미래의 연구방향
나노 소재 및 나노구조 기반의 차세대 태양전지는 아직 실리콘 및 무기물 기반 태양전지에 비해 그 효율이 낮고, 내구성도 낮은 상황이다. 그러나 다음과 같은 우수한 장점을 가지고 있기 때문에 향후 많은 연구가 수행될 것으로 전망된다.
○ Simple production process
○ Low cost
○ Low environmental impact
○ Possibility of creating flexible, film-shaped solar cells
○ Possibility of creating colorful solar cells with exceptional design characteristics
현재 단점으로 남아있는 문제는 연구의 진행 속도로 보아 빠르게 개선 될 것으로 예상된다. 이에 따라 미래의 연구 방향은 상기의 차세대 태양전지의 장점은 극대화하면서 단점은 최소화하는 방향으로 연구가 진행될 것이다.
◇ 국내 산업이 나아갈 방향
○ 태양전지 개발 위한 소재 개발 투자 확대
향후 고효율이며 저가격인 고효율 태양전지 양산기술이 개발되면 기존 태양전지 산업의 판도를 뒤집을 수도 있다. 이 경우 대규모 설비투자를 진행한 중국 등은 제조설비가 무용화 될 수 있고 우리나라처럼 대규모 설비투자를 하지 못한 나라는 기회요인이 될 수 있다.
다만 중요한 점은 효율이 높으면서도 저렴한 ‘고효율 저가’ 태양전지 기술을 확보하는 것이 중요하다. 일례로, First Solar가 11%의 모듈 변환효율을 가지고 2009년 세계 1위에 오른 배경에는 저렴한 가격이 큰 요인으로 작용했다. 따라서 고효율의 저가 태양전지를 구현하기 위한 소재 개발에 대한 투자가 절실하다.
특히 전 세계적으로도 아직 연구개발 단계에 있는 유기물과 무기물을 결합한 하이브리드 태양전지는 높은 효율과 저가격도 가능하지만, 나노 소재 기술을 결합해 내구성의 획기적인 향상이 가능하므로 이 분야 연구를 위한 집중적인 투자가 요구된다.
○ 차세대 태양전지 상용화를 위한 정부의 종합적 지원
태양전지 특히 차세대 태양전지의 성공적인 상용화를 위해서는 나노소재/구조 및 소자 제조, 모듈화 기술, 양산 기술 등 관련 기술의 융합이 매우 중요하다. 태양전지는 산학연의 역할 및 이산화탄소 저감과 신재생 에너지 비중 제고 등 현재 정부에서 정책적으로 지향하는 모든 요소를 가지고 있는 분야다. 따라서 정부의 종합적이고 체계적인 지원이 필요하다.
