한국에서 주목할 만한 실리콘 밸리 지역의 연구 개발 동향



실리콘 밸리는 미국 뿐만 아니라, 일본, 독일 등 세계 각국의 첨단 기술의 회사들이 지출하여 연구소, 지사, 판매망, 그리고 기술 협력 을 활발하게 구축하고 있는 상태이다. 이 지역에서는 작은 핵심 아이디어로 미래 지향적인 산업이 시작되고 그에 따른 투자도 활발하며 산업의 결과물은 세계 사회에 걸쳐 파급 효과도 매우 크다. 따라서 실리콘 밸리의 기술 동향은 세계시장의 동향을 살피는데 척도가 될 수 있다고 하겠다. 이번 국제 동향 조사 사업의 핵심은 실리콘 밸리에 위치한 여러 연구소 및 기업들의 연구 주제와 개발 동향에 대한 요약이다. 지난호 3D TV 동향과 FPGA(프로그래머블 게이트 어레이) 기술 동향 및 전망에 이어 이번 호에는 미국 신재생 에너지 기술 현황을 소개한다.

과제책임자: 이상원
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
www.kosen21.org

소개

환경 문제와 석유의 고갈이 예상되면서, 재생 에너지(renewable energy) 에 전 세계 사람들은 관심을 가지고 있다. 재생 에너지는 이산화 탄소의 배출을 줄임으로써 깨끗한 공기와 환경을 제공하는 장점이 있다. 태양광(Photovoltaic) 기술은 온실 효과에 가장 이상적인 대체 방법 이라고 할 수 있다. 재생 에너지는 수력, 태양력, 바이오매스, 풍력, 지열, 조력, 수온 등으로 전기 생산에 효과적이면서 친 환경적인 방법들이다. 지열을 이용하여 발전을 하는 기술은 조금의 태양광과 바람이 있으면, 건전지와 같은 저장 기기를 통해서 지속적인 발전이 가능하다는 장점이 있다.

수력은 물의 정지 에너지를 사용하여 발전하는 것이지만 거대한 댐이나 저수지의 건설이 필요하여 사회적인 파장이 크다. 태양광 에너지 기술은 이런 점에서 지역 발전에 쓰이고 있다. 태양광 에너지의 태양광 애플리케이션은 전기 에너지가 필요한 어느 곳에서든지 유용하게 쓰일 수 있다. 태양광(PV) 기술은 오염이 전혀 없고 발전 과정에서도 대기 오염에 적은 영향을 미친다. 하지만, 태양광 발전은 태양광이 없는 밤에는 발전을 할 수 없다는 제약이 있어 건전지 저장 기술과 같이 개발되어야 한다. 

이 보고서에서는 재생 에너지의 소스들과 그들의 역할에 대해서 다룰 것이다. 전기 발전이 수력, 태양력, 바이오매스, 풍력, 지열 등을 이용하여 이루어졌을 때, 환경에 주는 영향 또한 포함될 것이다. PV 기술은 별도로 분리하여 여러 가지 PV 애플리케이션들과 다루어 질 것이다.

Environmental Impact

재생 에너지가 환경에 주는 영향은 이산화탄소의 배출 양으로 비교를 했다. 그림 1은 여러 가지 에너지 소스에서 직간접 적으로 방출되는 이산화탄소를 보여주고 있다. 이 수치는 발전 과정, 설치 과정, 마지막 방출 과정을 모두 포함한 것이다.
그림 1을 참고 하면, 수력과 풍력은 다른 재생 에너지 소스들 보다 효율이 높다. 현재 사용하고 있는 석유 에너지는 재생 에너지 보다 경제적이긴 하지만 환경 오염에 많은 영향을 끼친다. 

그러나 재생 에너지 소스들은 경제적(풍력, 바이오매스, 지열) 이거나 환경 오염이 적다는 장점을 가지고 있다. 더 나아가서 풍력과 수력 발전의 효율은 석유 에너지 보다 더욱 좋은 것을 알 수 있다. 
온실 가스는 지구 온난화와 기후 변화에 가장 큰 원인이다. 이산화탄소 뿐만 아니라 CFC, SO, NO 그룹들도 온실 가스에 속하며 대기 오염에 아주 심각한 영향을 준다.

Evans et al. (2009)에서는 재생 에너지의 점수를 매겼는데, 1이 가장 좋은 기술이고 4는 가장 낮은 점수이다. 수력은 유연한 가동, 발전의 양, 제약 등을 고려했을 때 가장 좋은 위치를 차지하였고 그 다음이 풍력이 차지했다. 지열은 세계 모든 곳에서 할 수 없다는 제약 점으로 인하여 낮은 점수를 받았고 태양광 발전은 낮과 밤의 차이로 가장 제약이 많아 가장 낮은 점수를 받았다. 사회적인 영향으로는 풍력이 가장 높은 점수를 받았고, 그 다음으로 태양력, 지열이, 그리고 댐 건설 등으로 인한 영향으로 수력이 가장 낮은 점수를 받았다. 표 2가 보여주는 순위는 풍력 발전을 통한 전기 생산이 가장 이상적이고 그 다음으로 수력이 차지했고, 태양광과 지열 발전은 가장 낮은 순위를 받았다(Evans et al., 2009). 이 순위는 세계 전체를 대상으로 한 것이기 때문에 특별한 지형과 지역에서는 순위가 바뀔 수도 있다.

신재생 에너지원의 전기 생산

a. 수력
수력 발전소는 물의 위치 에너지를 사용하여 발전을 하는데, 그렇게 하기 위해서는 물을 높은 위치에 저장을 해야 하는 댐이나 저수지 건설이 필요하다. 물의 위치 에너지를 사용하여 터빈을 돌리고 그 터빈이 전기를 생산하게 되고 그 전기는 사용자들에게 분배되는 것이다.  Pelton wheel과 Francis 터빈이 높은 수위에 사용되고 Kaplan 터빈은 낮은 수위에 사용된다. 작은 수력 발전소(hydel power station) 또한 강 근처에 있는 작은 단위의 지역을 충족시킬 수 있다. 수력 발전소는 지열 발전소 보다 친환경적이나 지역 주민들의 이동이 불가피 하고 댐 걸설 기간 동안 생태계를 위험 요소가 주민의 반대를 가져 오기도 한다.

b. 태양력
태양 에너지는 태양광을 전기로 바꾸는데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 발열을 할 수도 있다. 태양 에너지를 직접적으로 모을 수 있는 잠재력은 거대하지만, 대기권에서 반사되고 지구 표면에서 받을 수 있는 에너지는 약 연간 3.9 x10^24 MJ로 지금 지구에서 소비하고 있는 에너지 량의 약 만 배 정도로 예상하고 있다. 따라서 태양 에너지의 1% 이하의 에너지로도 인류의 에너지 소비를 충족시킬 수 있다(Markandya and Wilkinson, 2007). 앞에서 말한 것 과 같이, PV 시스템은 전기 생산에 있어서 가장 이상적인 방법으로 세계 어디서나 사용할 수 있는 방법이다. 비록 저녁에는 태양력 발전에 제약이 있지만, 건전지와 같은 에너지 저장 기술을 이용할 수 있다. PV 시스템은 단독으로 쓰일 수도 있을 뿐만 아니라 그리드(grid) 시스템과 같이 사용하여 계속적인 전기 공급을 할 수 있다. 솔라 셀(solar cell)의 효율은 12에서 15%으로 실리콘 솔라 셀을 기준으로 한것이다. 그러나 GaAs 솔라 셀은 25에서 30%까지 나올 수 있다. PV 시스템의 효율성은 실제 제품의 여러 가지 부분에 의해서 계산 된다. 예를 들어, 솔라 셀, 모듈, 건전지 등이다.

c. 바이오매스
바이오매스(biomass) 또한 재생 에너지로써의 큰 잠재력을 가지고 있다. 바이오매스는 연소를 이용하여 전기를 생산하거나 thermo-chemical이나 biochemical conversion을 사용하여 에탄올이나 메탄올로 발전을 한다(Sorensen, 2004). 그러나 태양 에너지의 아주 작은 퍼센트만 수집할 수 있으므로 태양 발전의 제약 또한 여기 있다(Miyamoto, 1997). 남아프리카의 설탕 수수는 벌써 좋은 운송 연료로 사용되고 있다. Bioelectricity(바이오전기)는 개발 도상국의 지방에 아주 중요한 수단으로 전기 공급에 사용되고 있다. 더 나아가서, 바이오매스를 사용한 전기 생산은 아직도 환경 문제를 해결하지 못하고 있지만 석유 에너지보다는 아주 적은 가스 배출을 한다.

d. 풍력
풍차와 수평과 수직에 설치된 터빈들은 바람의 운동 에너지를 전기로 바꾼다. 이것은 현재 기술로써 가장 경제적인 재생 에너지이다.  전기는 풍력으로 생산되어 그리드(grid)에 제공된다. 이 기술은 풍력이 세고, 풍향이 일정하고, 일정한 풍량이 있는 지역에 가장 적합하다.

e. 지열
지열 에너지는 지역과 위치에 제학이 가장 많은 재생 에너지이지만, 24개국에 연간 57 TWh을 발전할 수 있는 잠재적인 장소가 세계에 퍼져있다(Bertani, 2005). 지열은 24시간 발전을 할 수 있다는 점에서 매력이 있다. 발전의 적출률이 보급률보다 항상 높을 것이다. 대부분 지열의 방출은 어떤 기술을 선택하느냐에 달려있다. 낭비되는 가스는 이산화탄소가 90% 이상으로(Hammons, 2004), 만약 직접적으로 방출 된다면 더 높아질 것이다.

f. 기타
기타 재생 에너지 소스로는 파도를 이용한 조력, 바다의 온도를 이용한 수온 기술이 있다. 조력은 파도의 힘으로 전기를 생산할 수 있는 것과 밀물과 썰물을 이용하여 발전하는 것 두 가지가 있다. 수온 기술(ocean thermal technology)는 바다 표면의 온도와 바다 깊은 곳의  온도차를 이용하여 전기를 생산하는 방법이다.

태양광 발전 시스템

태양광은 태양 에너지를 사용하는 방법으로 오염이 없다는 장점이 있다. 태양 에너지는 태양광과 solar thermal applications로 이용된다. PV 시스템은 (1)PV 시스템, (2)Photovoltaic thermal(PV/T) 시스템으로 분류된다. PV 시스템은 우주에 사용되는 애플리케이션, stand-alone PV 시스템, grid-connected PV 시스템, PV 하이드로겐 생산 시스템, 그리고 small-scale 애플리케이션로 사용된다. PV/T 시스템은 PV/T air collector, PV/T water collector, 그리고 기타로 분류가 된다. Stand-alone PV 애플리케이션은 농업용수 펌핑과 지역 발전에 쓰인다. PV/T air collectors는 비닐하우스, 방이나 작은 공간을 따뜻하게 데우는 애플리케이션으로 쓰일 수 있으며, PV/T water collectors는 물을 따뜻하게 데우거나 정수(hybrid solar stills), 난방 등에 쓰일 수 있다.

a. PV 애플리케이션
i. Space applications
가장 처음으로 시도된 어플리케이션으로 1958년에 시작되어 인공위성과 우주선에 사용된다. PV 패널의 효율성은 6% 이었으나 지금은 GaAS를 기반으로 한 셀이 널리 사용되고 있다. 고효율인 얇은 실리콘 셀은 좋은 성능은 물론, 가격, 무게, 효율성 등이 알맞다. 실리콘 셀의 효율성, 고효율의 실리콘 셀, double junction, triple junction, 그리고 quadruple junction solar cell은 각각 13.5%, 16%, 22%, 25%, 그리고 28% 이다(Habraken, 2001).

ii. Stand-alone system
Stand-alone system의 가장 궁극적인 목표는 농부들이 필요한 전기와 지역 주민들에게 전기 공급을 수요에 맞게 공급하는 것이다. 그림 2에서는 태양 에너지를 이용해서 펌핑을 하는 예를 보여준다.

iii. Grid connected PV system
연결된 PV 패널들과 그리드를 직접 연결하여 높은 전기를 생산하려는 시도는 이미 있었다. 그리드와 PV 시스템과 연결된 성능을 분석하려면 yields(reference, array, final), losses(array capture, system losses), PV, 그리고 inverter efficiencies, performance ratio 등이 필요하다(Mondol et al., 2006). 이 특성들을 이용하여 아일랜드 북부에서 13 kWp grid-connected PV 시스템으로 실험을 한 결과, 매달 평균 일일 PV, 시스템, inverter efficiencies는 각 각 4.5-9.2%, 3.6-7.8%, 그리고 50-87%. 년 평균 PV, 시스템, inverter efficiencies는 각 각 7.6, 6.4, 75% 였다.

iv. Hydrogen production
PV 패널은 물에서 전기 분해를 통하여 수소를 생성하는데 쓰일 수 있다. 이것은 높은 기술력과 연구가 필요한 기술일 뿐만 아니라 비용또한 만만치 않다. PV 패널을 사용해서 전해질이 없는 물의 전기 분해하면 최종 생산물은 수소와 산소가 된다. Solar-based hydrogen production 시스템의 성능은 에너지와 PV 분석, charge regulators, inverter, electrolyzer에 의해서 정의된다(Yilanci et al., 2009). Yilanci에 따르면, exergy 효율성은 9.8-11.5%, charge regulator은 85-90%, inverter efficiency는 85-90%, electrolyzer efficiency는 52%, energy efficiency of PV 패널은 11.2-12.4%, charge regulator은 85-90%, inverter efficiency는 85-90%, 마지막으로 electrolyzer efficiency는 56%이다.

v. 기타 애플리케이션
다른 애플리케이션은 PV 패널을 사용하여 차의 위에 달아 태양 에너지를 수집하는 것과 그 태양 에너지로 차의 건전지를 충전시키는 것이다(Gaddy, 2003). 이 기술은 계속 개발 중에 있으며 미래의 차로 개발 가능성이 크다. 가로등, 신호등, 계산기, 손목시계 등 PV 기술을 이미 사용하고 있는 곳이 많다.

b.  PV/T 애플리케이션
PV/T 시스템은 태양의 열 에너지를 사용하자는 아이디어에서 발전되었다. 태양열 에너지는 energy와 exergy 효율성을 증진시켜 공정 과정의 전기적인 효율을 높이는데 사용된다. 열 에너지는 PV 표면에서 얻을 수 있으며 물과 공기를 데우는 곳에 쓰일 수 있다. 더 나아가서 뜨거운 물과 공기는 여러 방면에 쓰일 수 있는데, 예를 들어, 집의 난방, 비닐 하우스, 건조기 등이 그것이다.

i. PV/T air collector
PV/T air collector은 태양광과 태양열 둘 다 사용한다. 비닐하우스의 건조기는 태양 에너지를 사용하여 농작물의 저장 기간을 늘린다. 만약 PV/T air collector가 건조기와 연결되어 있다면, 건조시키는 과정이 더욱 빨라지게 될 것이다. 비닐하우스의 건조과정은 자연적인 방법과 인위적으로 하는 방법이 있을 수 있다. 
다른 애플리케이션으로는 난방이 있다. 난방은 투명한 PV 패널을 지붕이나 바닥에 설치하여 자연적으로 데우는데 있다. 투명한 PV 모듈은 태양광을 통과시켜 건물 또는 공간을 데우는데 효과적이다(Charalambous et al., 2007). 비닐하우스나 온실에도 투명한 PV/T 를 설치하여 효율 적으로 관리 할 수 있다.

ii. PV/T water collector
PV/T water collector는 물을 데우는 것을 가리키며 지역적으로 산업적인 어플리케이션에 쓰인다. 지역적인 온수 방법은 그림 3에서 자세하게 보여준다.
또 다른 애플리케이션으로는 solar stills이 있다. Solar stills은 정수하는데 쓰이는 것으로 10,000ppm이상 된 지역에 유용하게 쓰인다. 정수된 물은 건전지 산업, 수소 생산 산업과 같은 다양한 산업에 쓰일 수 있다. Solar stills는 PV water collector와 온도 에너지를 온수나 펌프를 통하여 전기로 바꾸어 사용될 수 있다.

iii. 기타 애플리케이션
어류에 따라서 특별한 물 온도가 필요한데, PV/T water collector는 비닐하우스나 온실의 연못과 연결되어 물고기를 기를 수 있다. PV/T 시스템은 와인을 증류시킬 때, 약품 산업, 일용품 산업 등에 사용 될 수 있다.

글로벌 시장 현황

현재 65개국 이상이 자체적인 재생 에너지 생산을 미래의 목표로 하고 있으며 그 목표를 달성하기 위해서 많은 노력을 기울이고 있다. 다양한 재생 에너지 기술과 산업들 또한 20% 에서 60%의 성장률을 매년 보이고 있다. "Global status report" 를 참고하면, 2007년에는 미화 천억 달러(약 백조 원)가 재생 에너지 분야(연구, 산업, 제조, 개발 등)에 투자 되었고 계속 증가하는 추세라고 한다. 미국에서는 2006년과 2007년이 가장 활발한 투자 시장을 보였는데 이것은 은행, venture capital, private equity investors, multilateral and bilateral development organizations, 그리고 소형 로컬 투자가들의 활발한 참여가 있었기 때문이다. 그로 인하여 재생 에너지 산업은 약 140여개의 새로운 회사들이 미화 10억 달러 이상의 시장을 형성할 수 있었다. 주요 산업의 성장은 기술 시장이 서로 융합하면서 이루어지게 되었는데, 그로 인한 일자리 창출 또한 2006년에는 2백 4십 만 개가 넘어서게 되었다.

재생 에너지를 위한 정책 또한 66 개국에서 마련하고 있으며, 이 중에서 27개국은 유럽 연합, 미국의 29 개 주, 그리고 캐나다의 9개 지방이다. 대부분은 목표는 전기 생산을 주 나 지방끼리 나누는 것으로 2010-2012년 까지 확보할 것으로 예상하고 있다. 중국 또한 2020년 까지 15%의 최종 생산 에너지를 재생 에너지로 대체하려는 계획을 가지고 있다(author). 또한 미국 정부에서는 재생 에너지 관련된 사업체나 투자자들에게 세금 혜택을 주고 있다. 

세계 에너지 공급량의 약 18%가 재생 에너지가 차지하고 있으며 그림 4를 참조하면 더 자세한 사항을 알 수 있다. 18% 중에서 13%가 바이오매스에서, 3%는 수력발전에서, 1.3%는 태양열 에너지로, 0.8%는 에너지 발전, 0.3%는 바이오 연료에서 각각 차지하였다.
그림 5가 보여주듯이, 수력 발전이 가장 15%로 많은 부분을 차지하고 있으며 새로운 재생 에너지도 3.4% 이다. 중국에서는 solar hot water collector를 가장 많이 하고 있고 세계에서는 약 5천만 가정이 사용하고 있다. 운송 수단에 쓰이는 바이오 연료는 비중은 작으나 브라질에서는 설탕 수수를 에탄올로 바꾸어 브라질의 가솔린 소비의 40% 이상으로 쓰인다. 재생 에너지의 수용력은 2000년에서 2006년 까지 매년 15-30%씩 증가하고 했다.

그림 6을 보면 grid-connected solar PV의 성장은 매년 60%의 평균 성장을 보였고 바이오 연료 또한 아주 빠르게 성장하는 것을 보였다. 비록 몇 국가에서는 아주 빠르게 증가하지만, 평범하게도 수력 발전, 바이오매스, 지열 발전 등은 3-5%의 성장을 보인다. 수력 발전은 비록 댐 건설등의 제약이 있지만 재생 에너지 중에서 가장 경제적인 에너지로 2006년도 보고서에 따르면 세계 전력 공급의 15%를 차지했다. 중국이 14%로 가장 높은 성장율을 2000-2006년 사이에서 보였고 캐나다와 브라질은 12%, 미국은 10%, 러시아는 6%였다. 중국의 수력은 약 6 GW로 지금도 계속 활발하게 수력발전을 개발 중이다. 

풍력의 수용력은 2007년도에 가장 많이 증가한 재생 에너지로 약 21GW가 추가되었으면 이는 수력 에너지를 능가하였다. 이것은 2006년 동안에 28%의 성장을 보여준다(그림 7). 풍력은 또한 세계에서 가장 많이 쓰이는 재생 에너지로 전 세계의 70%를 차지하고 있다. 3분의 2의 풍력 발전이 2006년에 추가 되었으며, 총 15GW로 미국(2.5GW), 독일(2.2GW), 인도(1.8GW), 스페인(1.6GW), 중국(1.4GW)이다. 많은 개발 도상국들, 브라질, 코스타리카, 이집트, 이란, 멕시코, 모로코 등 2006년에 모두 풍력을 추가하였다. 

해변가 외의 풍력의 설치는 비용이 높고 관리가 힘들다는 점에서 천천히 진행되고 있는 추세이다. 최근 유럽에서는 몇 백 메가 와트가 매년 추가되는 실정이다. 2007년에는 300MW 급으로 유럽에서 가장 큰 풍력 단지가 개설 되었다. 프랑스, 스웨덴, 영국 모두 해변가 외의 지역에서 풍력 발전소를 세우기 시작했고 100-150MW급으로 2011년에 완공 예정이다. 

바이오매스는 일반적으로 전력과 열 모두 사용할 수 있는 에너지다. 최근에 많은 유럽 국가들, 특히 호주, 덴마크, 독일, 헝가리, 네덜란드, 스웨덴, 영국이 바이오매스의 사용을 늘이고 있는 상태이다. 약 45GW의 바이오매스가 2006년에 존재했으며, 이들 국가에서 바이매스의 사용이 5-50% 증가한 상태이다. 농업국가에서는 쌀이나 코코넛 껍질 등을 사용하여 대체하고 있는 실정이며 6백만 톤의 바이오매스 짚이 2005년 유럽에서 소비되었다. 

지열은 거의 10GW의 수용력이 있으며 매년 2-3% 성장률을 보이고 있다. 대부분의 지열 반전은, 이탈리아, 인도네시아, 일본, apr시코, 뉴질랜드, 필리핀, 미국이 있으며 새로운 국가들이 추가 되고 있는 실정이다. 아일랜드는 4분의 1 정도의 전력을 지열 발전으로 얻고 있다. 현재 76개국에서 지열 발전소를 가지고 있으며 대부분의 수용력은 산업 국가인 이탈리아, 일본, 뉴질랜드, 미국이 사용하고 있다. 직접 지열을 사용하여 빠른 지열 발전을 하는 방법은 매년 30-40%의 증가율을 보이고 있다. 아이슬랜드는 직접 난방 방식을 선택하고 있으며 85%의 총 난방 에너지를 지열에서 얻고 있다. 

Grid-connected solar PV는 2006년과 2007년 모두, 꾸준하게 매년 50% 빠른 성장을 보여 주고 있다. 그림 9이 보여주는 것처럼 수용력은 약 백오십만 가정이고 많은 가정이 지붕위에 PV를 달았다. Grid-connected solar PV는 300MW가 2006년에 증가하였고 이것은 100MW 미국, 100MW 일본, 100MW 스페인이다. 스페인의 PV시장은 2007년 동안 가장 빠르게 증가하였고 정책도 개정하여 2007년에만 400MW가 추가되었다. 특별히 이탈리아와 그리스는 최근에 재생 에너지와 관련된 정책이 소개되었으며, 프랑스는 최근에 정책 개정에 가속을 붙이고 있다. 이탈리아는 2007년에 20MW를, 프랑스는 15MW를 추가하였다. 미국도 캘리포니아 주에서는 미국의 70%를 차지하였고 그 다음이 뉴저지 주이다. 한국 역시 2006년도에 강한 시장으로 부상되기 시작했다. 

대부분의 태양력 발전은 kW 급으로 비교적 작지만 효율성을 높이기 위한 연구가 계속 되고 있다. 구글의 1.6MW는 kW에서 MW로 전환한 한 예이다. 네바다 주에 있는 14MW Nellis Air Force(공군) 기지도 최근에 미국에서 가장 큰 solar PV 발전소가 되었다. 비록 800개가 넘는 발전소가 세계적으로 있지만 9개의 발전소만 10MW급이고 나머지 발전소들은 kW급이다. 그림 9를 참고하면, off-grid 설치는 매년 두자리 수로 증가하고 있으며 2007년 말에는 10.5GW까지 도달하였다. 

태양열 발전 시장은 1990년대 부터 2004년까지 머물러 있다가 새로운 발전이 열리게 되었다. 이스라엘, 포르투갈, 스페인, 미국이 기술과 투자를 이끌어가고, 64MW 발전소가 네바다 주에, 1MW 급 발전소가 아리조나 주에, 11MW급 발전소가 스페인에 세워졌다(2007년). 2007년까지 세계에서 진행되는 20가지가 넘는 프로젝트가 진행되고 있는 상태였고 적합한 발전 방법인지 시험하고 있는 과정이었다. 스페인에서는 50MW급 발전소 3개가 2007년도에 건설중이었고 10개의 50MW 급 발전소가 추가로 건설되었다. 미국 캘리포니아 주와 플로리다주는 적어도 8개의 새로운 2000MW 발전소 개발 계획을 발표하였다. 이집트, apr시코, 모로코에서는 2006년과 2007년에 combined-cycle gas-turbine 발전소 건설 허가가 내렸다. 

비록 현 재생 에너지를 통한 전기 수용력이 2006년에 207GW으로 예상되었지만, 수력 발전을 제외하고 2005년에 비해서 14% 증가하였다. 작은 수력 발전과 풍력 발전은 총 수용력의 4분의 3을 차지하고 있으며 이 207GW는 약 4300GW(전 세계의 총 에너지 수용력) 의 5%밖에 되지 않는다. 중국(52GW), 독일(27GW), 미국(26GW), 스페인(14GW), 인도(10GW), 일본(7GW)로 6개국이 이끌고 있다. 중국을 포함한 개발 도상국은 88GW를 수용하고 있으며 바이오매스와 작은 수력 발전에 의존하고 있다. 

온수와 난방에서는 중국, 이스라엘, 일본, 터키, 유럽 몇 개 국을 제외하면 잘 실현되지 않고 있는 상태이다. 브라질, 이집트, 인도, 조던, 모로코, 투니시아는 시장이 서로 합쳐져, 새로운 정책이 생겼다. 매년 태양열을 이용한 온수 설치는 유럽에서 50% 증가율을 보였으며 이것은 2GW정도의 추가를 말한다.

운송 수단에 쓰이는 연료로는 수송수단을 위한 에탄올이 390억 리터가 2006년에 생산되었으며, 2005년에 비해서 18% 증가한 수치이다(그림 13). 대부분의 증가는 미국, 브라질, 프랑스, 독일, 스페인에서 보여지고, 미국은 에탄올 생산국으로써도 1위를 차지했다. 브라질산 에탄올 생산은 약 180억 리터가 증가하였고, 이는 세계 에탄올시장의 반을 차지한다. 다른 나라들은 호주, 캐나다, 중국, 콜럼비아, 도미니칸 공화국, 프랑스, 독일, 인도, 자메이카, 폴란드, 남아프리카, 스페인, 스웨덴, 타이 등에서도 에탄올을 생산하고 있다. 
대부분의 재생 에너지의 특성과 비용은 경제 사정에 따라서 변동 사항이 있지만 기술의 발전과 시장의 성장이 비용을 낮추고 있다. 동시에 기존의 사용 기술들의 비용도 낮아지고 석유 에너지의 가격이 상승하면서 상대적인 비용이 적어지고 있다.



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유럽 태양전지 학회 및 세계 태양전지 학회(25th EUPVSEC/5th WCE)
결정질 실리콘 태양전지 생산, 기술 경쟁력 높여야

PVSEC(Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition)은 매년 정기적으로 아시아, 미국, 유럽에서 개최된다. 이번 25th European PVSEC에서는 3개 대륙의 학회가 공동으로 3~4년의 비정기적인 5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion가 스페인 발렌시아(Valencia)에서 5 일 간 함께 개최되었다. 본 학회는 plenary sessions, oral sessions, visual sessions으로 구성되어 있다. 각각의 발표에서는 태양전지 전 분야의 최신 연구동향 및 결과들을 발표하였다. 그리고 950개의 태양전지 모듈 및 장치 제조사, 태양전지 관련 연구소, 정부기관/비정부기관, 전문매체들이 대거 참석한 전시회에서는 각각 기관의 결과물을 전시함으로써 산학연 간의 활발한 토론의 장이 이루어졌다.

과제책임자: 신동협 / 한국과학기술원 (KAIST)
자료제공: 한민족과학기술자네트워크(KOSEN)
www.kosen21.org

최신 연구 동향 및 주요 연구 결과물

1AP.1.1 Recent Progress with Hot Carrier Solar Cells (M.A. Green)
태양전지의 가장 큰 에너지 손실 중 하나는 광여기된 캐리어(photoexited carrier)와 격자간의 급속한 열손실(rapid thermalisation)이다. 이 같은 열손실을 피할 수 있다면 이론적으로 더 큰 효율을 얻을 수 있다. 그래서 핫 캐리어 태양전지(hot carrier solar cell)는 광여기된 캐리어들이 열손실로 작용하기 전에 핫 캐리어를 수집하는 원리를 이용한다1. 핫 캐리어 태양전지는 광여기된 캐리어의 냉각속도를 줄이는 것이 주요한 관건이다. 그래서 광흡수층 물질의 광여기된 캐리어 방사재결합(radiative recombination) 속도를 ps(picoseconds) 수준에서ns(nanosecond) 수준으로 줄이는 것이 요구된다. 이는 양자우물 나노구조체(quantum well nanostructure)에서 아주 센 빛일 때 광여기된 캐리어 냉각속도가 현저하게 감소되는 것이 관찰되었다.

그리고 핫 캐리어 태양전지는 핫 캐리어리를 수집하는 전극(contact)의 콜드 캐리어에 의해 냉각되는 것을 방지하기 위한 에너지 선택적 전극(energy selective contact)을 필요로 한다. 이상적인 핫 캐리어 태양전지의 개략적인 그림 1은 다음과 같다. 핫 캐리어 태양전지는 에너지 선택적 전극에 의해 선택적으로 캐리어를 수집하고, 이 두 에너지 선택적 전극의 페르미 레벨(fermi level) 차이에 해당하는 전압을 만든다2.

핫 캐리어 태양전지를 구현하기 위한 에너지 선택적 전극으로 실리콘 양자점은 degenerate n형 실리콘 웨이퍼 위에 4nm의 실리콘 함량이 높은 실리콘산화물(Si-rich SiO2)사이에 5nm의 실리콘산화물이 존재하는 구조를 형성시키고, 열처리를 하면 실리콘 함량이 높은 층에서 실리콘 나노결정을 석출되는 방법으로 성장시킨다. 마지막으로 앞뒷면에 알루미늄전극을 진공 증착한다. 이런 방식으로 제조된 핫 캐리어 태양전지에 센 빛을 조사하였을 때, 에너지 선택적 전극에 핫 캐리어의 분포가 형성되는 것이 관찰되었다. 그리고 M.A. Green 교수는 실리콘 양자점 초격자에서 포논의 분포에 따른 광여기된 캐리어의 냉각속도를 줄일 수 있음을 모델링을 통해 증명하였고, 이를 더욱 개선하기 위한 모델링 개발도 활발히 진행되고 있다.

이와 같은 핫 캐리어 태양전지는 3세대 박막태양전지에 속한다. 3세대 박막태양전지를 통해 태양전지 에너지 변환효율을 획기적으로 개선하기 위해 M.A. Green 교수뿐만 아니라 많은 사람들이 노력하고 있지만, 현 단계에서는 태양전지를 구현하기 위한 기초적인 연구가 주를 이루고 있다3. 이와 더불어 MEG 태양전지(Multiple Exciton Generation solar cell)와 같은 3세대 태양전지에 대한 많은 창의적인 개념들이 계속해서 꾸준히 발전되고 있다.

2BP.1.2 Large Scale Crystallisation and Wafer (H.A.Aulich)
최근 태양광산업이 급성장함에 따라 폴리실리콘 및 태양전지업체들이 웨이퍼 산업에 본격적으로 진출하였다. 이에 따라 세계 태양전지용 웨이퍼 생산능력이 급격히 확대되었고, 지난 30년 동안 매년 32% 성장하는 결과를 보였다. 특히 2000년도에 독일의 차액보전제도(feed-in tariff)제도에 의해 더욱 급격한 성장세를 보이고 있다. 이를 바탕으로 독일에서는 2012년에서 2013년 사이에 그리드 패리티(grid parity, 신재생에너지 단가와 화석연료 공급 단가가 같아지는 시점)에 도달하고, 유럽 전기 수요의 12%에 이를 것으로 예상하고 있다. 이러한 시나리오로 이루어지기 위해서는 폴리실리콘과 잉곳/웨이퍼 간의 안정적 수급과 태양광 발전 원가의 절감이 필수적이다.

실제로 최근까지 웨이퍼 수요가 지속적으로 증가하여 전 세계적인 공급부족 현상이 발생하였고, 폴리실리콘 가격이 급격하게 상승하는 현상이 발생하였다. 현재는 대표적인 Hemlock, MEMC 등의 웨이퍼 제조사의 공급 확대와 신규업체의 진입으로 수요가 상당히 많이 해소되었다. 이처럼 태양광 발전시스템 설치비용의 약 50% 정도가 소재 부문에서 발생하기 때문에 소재 부문은 태양광 발전 원가절감에서 핵심이다4. 그래서 많은 웨이퍼 업체들은 단위 웨이퍼의 실리콘 사용을 줄이는 방법을 끊임없이 찾고 있다. 첫 번째로 웨이퍼 두께를 줄이는 방법을 통해 실리콘 사용을 줄이려고 하고 있다. 그래서 현재 일반적으로 180-200μm의 웨이퍼를 제조하고 있다.

하지만 웨이퍼가 너무 얇아지면 높은 실리콘 파손율, 지지대 요구, 새로운 셀 제조공정 등에 의해 오히려 태양전지 제조 가격이 상승한다. 그래서 웨이퍼 두께는 80-140μm가 가장 이상적이다. 그리고 잉곳을 자른 과정에서 상당한 양의 실리콘이 낭비되므로 줄 톱의 성능을 개선하는 연구가 진행되고 있다. 다이아몬드 와이어기술을 이용하면 실리콘 낭비를 더욱 줄일 수 있다고 한다. 또한 실리콘 웨이퍼를 제조하는 과정에서 소비되는 실리콘과 기타 물질(SiC, PEG etc.)들을 재활용하는 방법도 강구하고 있다. 비록 현 실리콘 웨이퍼링 기술과 결정질 실리콘 태양전지 제조 기술로도 1달러/Wp를 충분히 달성될 수 있지만, 독일에서 예측한 2020년에 전체 전기의 12%를 태양광 발전으로 생산하기 위해서 끊임없는 기술 개발이 필요하다.

3DP.1.4 Status and Future Potentials on CIS and Related Solar Cells (H.W. Schock)
Cu(In,Ga)Se2(CIGS) 태양전지는 실리콘 태양전지와 다르게 직접 천이형의 높은 광흡수계수를 가지는 CIGS 화합물 반도체를 광흡수층으로 사용한다. 그리고 이차상이 CIGS 결정구조와 유사한 구조를 가져 성장 시 상분리(phase segregation)에 의한 심각한 결함으로 작용하지 않는다. 또한 원소 간의 화학량적 결함(deviations from stoichiometry)도 다른 태양전지에 비해 심각하지 않고, 구리 원소의 결핍에 의해 p형 반도체 특성이 발현된다. 결론적으로 CIGS 박막의 외부 불순물에 대한 저항성이 크고, 외부 도핑(extrinsic doping)이 아닌 진성 결함(intrinsic defects)에 의해 p-n 접합을 구현한다5,6,7.

그래서 CIGS 박막의 Cu/(In+Ga), Ga/(Ga+In) 비율에 따른 CIGS 박막의 반도체 특성이 크게 좌우되기 때문에 원소 간의 비율을 잘 제어하는 것이 핵심이다. 고품질의 CIGS 박막 성장을 위해서 유럽에서는 stuttgart 대학이 중심이 되어 각국의 연구기관이 힘을 합쳐 1986년부터 1999년까지 EUROCIS 프로그램을 진행하였다. EUROCIS에서 제안된 동시진공증발법(co-evaporation)에 의해 17.6%의 CIGS 태양전지 에너지 변환효율이 처음 달성되었다. 그 후 LARCIS 프로그램에 의해 개발된 대면적용 CIGS 태양전지 제조 기술을 활발히 기업으로 이전하였다. 이에 현재 가장 큰 CIGS 태양전지 제조사인 wurth solar가 탄생되었고, 많은 CIGS 태양전지 제조사들이 생겨났다.

비록 CIGS 태양전지는 가장 높은 효율을 보이는 박막태양전지 중 하나이지만, 제조공정이 쉽지 않아 제조 단가가 높다는 커다란 단점이 있다. 이를 극복하기 위해서 동시진공증발법(co-evaporation)법과 동시스퍼터링(co-sputtering)법에 대한 연구가 꾸준히 이루어 졌다. 동시스퍼터링법에 의해 CIGSS 박막을 제조하는 일본의 Solar Frontier(전 Showa Shell)은 경쟁력 있는 공정을 개발하여 연간 1000 MW에 상응하는 제조공장을 건설하겠다는 발표를 하였다. 이것이 실현되면 1유로/Wp에 근접하는 CIGS 태양전지를 생산할 수도 있다고 한다.

CIGS 태양전지는 또한 카드뮴설파이드(CdS)란 환경적으로 유해한 물질을 사용하기 때문에 이를 제거해야 하는 문제점을 안고 있다. 카드뮴설파이드를 대체하기 위해서 아연화합물 (ZnS(OH)) 혹은 인듐화합물(InS(OH)) 등의 대체물질 연구가 활발히 진행되고 있다. 그리고 CIGS박막은 희귀금속인 인듐과 갈륨을 사용하기 때문에 이를 대체하기 위한 Cu2SnZnSe4 (CZTS)박막에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 이처럼 CIGS 태양전지는 분명히 많은 원소와 복잡한 공정을 사용하고 있지만, 방사선, 빛 등에 안정적이고 높은 효율을 보이는 박막태양전지로써는 아직까지는 매력적이다.

Helmholtz-Centre Berlin의 H.W. Schock교수는 CIGS 태양전지 초창기부터 EUROCIS 프로그램 등의 연구를 주도적으로 이끌었고 고효율의 CIGS 박막태양전지의 증착법을 개발, 기술이전에 기여한 공로를 인정받아 이번 학회에서 Becquerel Prize 상을 수상하였으며, 이와 함께 유럽에서 지금까지 진행되어 온 CIGS 개발 역사와 미래에 대해 발표하였다.

1AO.4.3 Ideality Factor Extraction from Photoluminescence Images (L. Stoicescu)
고효율 태양전지를 제조하기 위해서는 정확하게 태양전지 특성을 평가할 수 있는 툴을 개발하는 것이 중요하다. 지금까지 많은 사람들은 전류-전압 곡선에서 태양전지의 직렬저항과 병렬저항 그리고 이상계수(Ideality factor)를 추출하곤 했다. 최근 광발광(photoluminescence)을 이용한 평가 틀은 태양전지의 전반적인 특성을 나타내는 이상계수를 국부적으로 추출할 수 있다.

그러므로 이를 통해 고효율 태양전지 제조 과정 동안 발생될 수 있는 결함을 확인할 수 있고, 태양전지 효율을 향상 혹은 저해시킬 수 있는 인자를 평가할 수도 있다. 광발광을 이용한 평가 툴은 실험실에서의 연구뿐만 아니라 제조 프로세스 모니터링 툴로써도 잠재력이 커 많은 관심을 받고 있다. 광발광에 의한 국부 이상계수 추출은 광발광 측정으로 얻어진 Ln(전류)-전압 곡선의 기울기로부터 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
n = I/Vt(dV/d(In(I)) (식1)

CCD 카메라에서 얻어진 광발광 신호를 식1을 통해 2차원적으로 표시하면 이상계수의 분포를 이미징할 수도 있다. 이 광발광 이미징 기술을 통해 실제로 태양전지 제조 과정 및 동작 시의 이상계수를 관찰한다. 첫 번째로 웨이퍼 상에 존재하는 스크래치 혹은 미세크랙 (microcrack)의 분포를 광발광 이미징을 통해 확인할 수 있다. 이런 스크래치 및 미세크랙이 존재하는 영역에서 만들어진 태양전지 효율은 감소한다. 그러므로 태양전지 제조 전에 웨이퍼 상태 확인만으로도 고효율 태양전지 수율을 높일 수 있다. 또한 태양전지가 제조되는 과정 상에 만들어진 표면 스크래치 등의 결함 분포를 확인함으로써 태양전지 효율을 저해하는 부분을 빠르게 찾을 수 있다8.

Helmholtz-Centre Berlin의 L. Stoicescu 박사는 광발광을 이용한 평가 기술로 빠르게 2차원적으로 접촉 없이 태양전지 제조 과정 상의 결함 혹은 태양전지 작동 상의 특성을 분석할 수 있음을 사례별로 보여 주었다. 그리고 이런 광발광을 이용한 기술은 다른 특성평가 기술보다 국부적으로도 평가할 수 있기 때문에 이의 유용함을 피력하였다.


2AO.2.3 Effect of SiN Deposition Temperature on Surface Passivation of n-Type Cz Silicon Substrates Using Thermal-SiO2/PECVD-SiN Stacks (Y. Larionova) 
실리콘은 간접 천이형 반도체(indirect semiconductor)라서, 밴드갭 내부의 결함 준위(defect level)를 통해 재결합 손실(recombination loss)이 많이 일어난다. 이런 결함들은 대개 벌크 혹은 표면에 존재하는데, 표면 결함은 끊어진 결합(dangling bond)에 의해 주로 발생한다. 그래서 실리콘 태양전지의 표면 재결합을 줄이기 위해서는 표면 결함 준위 밀도를 줄이거나, 표면의 자유 전자 혹은 홀(free electron or hole)의 농도를 줄이는 방법이 있다. 태양전지의 패시베이션(passivation)으로 에너지의 변환 효율이 20%로 상승하였고, 20년 이상의 안정성을 보였다9.

첫 번째 표면 결함 준위 밀도를 줄이는 방법으로는 적절한 패시베이션 물질로 증착하거나, 극성 용액에 담그는 방법이 있다. 그리고 표면 재결합은 하나의 전자와 홀이 결합하여 일어나므로, 전자 혹은 홀의 농도를 줄여서 표면 재결합을 줄이는 방법이 있다. 한쪽 캐리어 농도를 줄이기 위해서는 표면에 내부 전계(built-in field)를 형성시키는 방법이 있다. 표면의 내부 전계는 표면에 도핑하여 하이-로 접합(high-low junction, P+P)으로 형성시킬 수 있다. 그리고 전면에 형성된 하이-로 접합을 전면 전계(front surface field)라고 하고, 후면의 하이-로 접합을 후면 전계(back surface field)라고 한다. 또 다른 방법으로는 절연체를 증착하여 전계 효과 패시베이션(field effect passivation) 방법이 있다. 언급된 두 방법은 현재 태양전지 제조에 활발하게 적용되고 있다. 

일반적인 표면 패시페이션 방법은 고온에서 열산화물을 형성시키는 것이다. 하지만 고온의 산화공정은 벌크 캐리어 라이프 타임(bulk life time)의 저화와 태양전지 제조 단가 상승 등의 문제가 발생한다. 이에 따라 고온의 산화공정을 대체하기 위해 PECVD법으로 실리콘 나이트라이드막(SiN)을 직접 증착하는 방법이 개발되었다. 그리고 더욱 효과적으로 표면을 패시베이션시키기 위해서 열처리로 생성된 실리콘 산화물과 PECVD법으로 증착한 실리콘나이트의 이중 적층구조를 사용하기도 한다10.

독일 ISFH의 Y. Larionova 박사는결정질 실리콘 태양전지의 후면에 10nm-SiN/SiO2 이중 구조로 패시베이션시킴에도 불구하고 재결합 손실이 크게 발생하는 것을 확인하였다. 그래서 후면의 재결합 손실이 실리콘나이트 증착 온도 및 증착 조건, 열처리 온도 및 지속시간에 크게 영향 받았다고 하였다. 그 중 특히 실리콘나이트 증착 온도가 250-300℃ 일 때 패시베이션의 효과가 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 태양전지 패시베이션 기술이 개발된 지가 오래되었지만, 태양전지의 고효율화와 장기 안정성에 크게 작용하기 때문에 현재까지도 꾸준히 많은 연구소와 기업체에서 연구되고 있다.

3DO.4.1 Development of High-efficiency CIGS Solar Cells and Submodules by Multi-stage Evaporation (S. Niki)
현재 세계 최고 CIGS 태양전지의 에너지 변환 효율은 2010년 독일 ZSW 연구소에서 달성한 20.3%이다. 그리고 CIGS 태양전지의 대표적인 제조사 중 하나인 Solar Frontier(전 Showa Shell)는 2009년 연간 80MW 생산능력을 갖추었고, 2011년까지 980MW까지 생산능력을 늘리겠다고 발표하였다. 이를 통해 CIGS 태양전지도 카드뮴 텔률라이드(CdTe) 태양전지, 결정질 실리콘 태양전지를 넘어서는 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 이 뿐만 아니라, 전 세계적으로 20 개 이상의 CIGS 태양전지 제조사들도 대량생산 계획을 준비 중이다. 하지만 CIGS 태양전지는 실험실 수준의 작은 면적에서는 20% 이상의 고효율을 보이지만, 면적이 증가할수록 효율이 10-12% 수준으로 떨어지는 큰 감소폭을 보인다. 또한 태양전지 제조 시 수율이 낮은 것도 해결되어야 하는 큰 과제이다.

그리고 CIGS 태양전지의 또 다른 이슈는 유연성 있는 고효율 CIGS 태양전지 제조이다. 유연성 있는 CIGS 태양전지를 만들기 위해 유리기판 대신 유연성 있는 기판으로 CIGS 태양전지를 제조 시 기판 선택 및 Na 도핑 기술 등 또 다른 많은 문제점이 발생한다13,14. 그래서 많은 연구소와 대학교에서는 이를 해결하기 위한 기술을 개발하고 산업체로 기술 이전하고자 많은 노력을 기울이고 있다.

일본의 AIST(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology)의 S. Niki 박사는 CIGS 태양전지 대면적화에 따른 효율 감소폭을 줄이기 위해서 다단계 진공증발법(multi-stage evaporation)을 사용하는 인라인(in-line) 공정을 개발하고, 이를 대량생산기술에 적용할 수 있는 서브모듈 개발에 대한 발표를 하였다. 가장 일반적인 CIGS 제조법인 3단계공정(three stage process)에서 만들어지는 CIGS 광흡수층에서 보이는 Ga의 분포와 큰 결정립 품질이 인라인 공정으로 만들어진 CIGS 광흡수층에서도 그대로 재현되었다. 그 결과 서브모듈 76.5㎠에서 15.8%의 에너지 변환 효율을 달성하였다.

다음으로 유연성을 가지면서 고효율 CIGS 태양전지를 실현하기 위해서 기판으로 타이타늄 포일(Ti foil)을 사용하였다. 그리고 기존 유리기판에서 확산되던 Na를 RF-sputter으로 박막 소다라임 유리를 유연성 있는 기판에 직접 증착하여 CIGS 광흡수층에 Na를 도핑하였다15. 이상 기술을 바탕으로 유연성 있는 타이타늄 포일, 세라믹스, 폴리이미드 기판에서 소면적 CIGS 태양전지의 에너지 변환 효율을 각각 17.4%, 17.7%, 14.7% 달성하였다. 서브모듈인 75.7㎠에서는 15.9%의 에너지 변환 효율을 달성하였다. 대부분의 연구소에서는 모듈 사이즈의 태양전지를 제조 장비와 유지비가 너무 비싸므로, 중간 단계인 서브 모듈의 제조 기술 향상을 통해 이 기술을 태양전지 제조사로 이전한다.
 

3DO.4.3 Highly Productive Manufacturing of Large-Area CIS-Based Modules (F. Kessler) 
최근까지 CIGS 태양전지 세계 최고 에너지 변환 효율은 꾸준히 증가하여 20.3%까지 도달했다. 그리고 많은 CIGS 태양전지 제조사들은 대량생산을 계획하거나 준비 중이다. 하지만 CIGS 태양전지는 후면전극으로 몰리브데늄(Mo), 광흡수층으로 CIGS 화합물, 버퍼층으로 황화카드뮴(CdS), 투명전극으로 산화아연(ZnO)의 복잡한 다층 박막구조로 이루어져 있다. 또한 각각 물질의 증착 기술도 다르다. 이처럼 CIGS 태양전지는 태양전지 구조와 증착 기술이 복잡하여, 제조 수율이 낮고, 태양전지 제조 비용도 높다. CIGS 태양전지는 태양전지 제조 단가를 절감하기 위해 기본적으로 대면적 CIGS 태양전지 에너지 변환 효율을 더욱 높이거나 CIGS 태양전지 제조 요소 기술들을 향상시키는 방법으로 접근한다.

독일의 ZSW 연구소의 F. Kessler박사는 CIGS 태양전지 제조 요소 기술을 향상시키기 위해 첫 번째로는 빛의 단파장 영역 흡수가 큰 황화카드뮴 물질을 대체하는 연구에 대해 발표하였다. 2.4 eV인 황화카드뮴보다 큰 에너지 밴드갭을 가지는 황화아연(ZnS)을 사용함으로써 빛의 단파장 영역 흡수를 최소화하였다. 하지만 대체물질 황화아연은 공정시간이 긴 단점을 가지고 있다. 이는 반응 용액의 프리히팅(preheating)법을 거친 후 증착하는 방식으로 공정시간을 단축시킬 수 있다고 한다16. 추가적으로 광 투과도를 높이기 위해서 황화카드뮴 위에 적층되는 진성-산화아연(i-ZnO)도 산화아연마그네슘(i-ZnMgO) 물질로 대체하였다17. 이상을 통해서 빛의 단파장 영역 흡수를 최소화하여 0.5cm2에서는 18.0%, 10×10cm2 미니모듈에서는 15.2%, 30×30cm2 모듈에서는 12.9%, 60×120cm2 모듈에서는 11.2%를 각각 달성하였다.

CIGS 태양전지 제조 요소 기술을 향상시키기 위해 두 번째로는 CIGS 광흡수층을 기존의 진공증착법에서 비진공증착법으로 바꾸는 것이다. 기존의 대표적인 진공증착법인 동시진공증발법(co-evaporation)과 동시스퍼터링(co-sputtering)은 고가의 장치를 사용하여 CIGS 태양전지 제조 단가 상승에 크게 기여한다. 그러므로 태양전지 제조 단가를 줄이는 비진공증착법인 전기도금(electrodeposition) 혹은 구리-인듐-잉크를 이용하여 전구체(precursor)를 만들고, 셀레늄열처리 혹은 황열 처리함으로써 CIGS 광흡수층을 만드는 방법이 있다. 하지만 전기도금법의 경우, 반응조의 수명이 짧고, 추가적인 550℃ 이상의 열처리가 필요하며, 대면적화가 어렵다는 단점들이 있다.

구리-인듐-잉크를 이용하는 방법에서는 균일한 원소 농도분포를 가지는 증착이 어렵고, 접착력 문제가 있다. 또한 표면 거칠기가 큰 단점도 있다. 비록 아직까지 상기 기술들은 완성도가 높지 않지만, 태양전지 발전에서 가장 중요한 제조 단가 절감 부문에서 큰 잠재력을 가지고 있다. 비록 아직 기술적인 과제가 많이 남아있지만, ZSW 연구소는 상기 기술을 NEXCIS사에 이전하였고, NEXCIS사는 25㎠에서 8.6%를 달성하였다. 이처럼 유럽에서는 산학연 간의 기술 교류가 활발하다.

3DO.4.3 Development of flexible CdTe solar module with monolithic interconnection (A.N. Tiwari) 
카드뮴 텔률라이드 태양전지는 박막태양전지 중에서 가장 성공적으로 태양전지 시장에 자리를 잡았다. 그래서 카드뮴 텔률라이드 태양전지의 대표적인 제조사인 미국 First solar는 2009년 태양전지 생산량에서 1위를 차지하였다. 그런데 카드뮴이라는 유해한 원소를 포함하고 있다는 큰 단점에도 불구하고, 카드뮴 텔률라이드는 에너지 밴드갭이 1.45eV로 태양광 중 에너지세기가 가장 큰 스펙트럼에 근접하고, 근접승화법(Close sublimation system)의 간단한 공정, 빠른 증착속도로 제조 수율도 우수하다. 또한 모듈의 에너지 변환 효율도 상대적으로 높은 편에 속한다. 현재까지 상용화된 카드뮴 텔률라이드 태양전지는 유연성이 없는 유리기판을 사용한다.

최근 유연성 있는 박막태양전지에 대한 관심이 많이 생긴 것처럼, 카드뮴 텔률라이드 태양전지도 유연성 있는 기판을 사용하는 롤투롤(roll-to-roll) 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다18. 스위스 EPMA의 A.N. Tiwari 교수는 유연성 있는 카드뮴 텔률라이드 태양전지 서브모듈 개발에 대한 발표를 하였다. 카드뮴 텔률라이드 태양전지를 롤투롤 방식으로 생산할 경우, 제조 단가를 더욱 낮출 수도 있다고 한다. 유리기판으로 제조하는 인라인장치에 비해 롤투롤 방식의 장치는 10-30배 정도 사이즈가 작다고 한다.

그리고 공정과정 중 더 빠르게 가열 및 냉각이 가능하고, 깨어지기 쉬운 유리기판을 취급하는 로봇에 대한 요구도 없기 때문에 경쟁력이 있다고 한다. 그래서 폴리이미드(polyimide) 기판을 사용하여 소면적에서 12% 이상의 에너지 변환 효율을 달성하였다. 32cm2의 서브모듈에서는 7.5%의 에너지 변환 효율 기록을 달성하였다. 빠른 증착속도, 간단한 공정으로 우수한 제조 수율을 가지는 카드뮴 텔률라이드 태양전지를 롤투롤 방식으로 제조한다면 추가적인 제조 단가 절감과 유연성을 확보할 수 있게 된다. 비록 카드뮴의 유해한 원소 때문에 환경적인 측면에서는 불리하지만, 카드뮴 텔률라이드 태양전지는 우수한 생산성과 가격 경쟁력으로 유연성 있는 태양전지 개발에서도 유망하다.

전시회
 
25th EUPVSEC/5th WCE 학회의 전시회에는 950개의 태양전지 모듈 제조사, 태양전지 장비 제조사, 태양전지 관련 연구소, 정부기관/비정부기관, 출판사들이 대거 참석하여 각각의 결과물들을 전시하며 활발한 토론의 장을 이루었다. 첫 번째로2009년 세게 톱 10 태양전지 모듈 제조사인 미국의 First solar, Sun power, 중국의 Suntech, Yingli solar, JA solar, Trina solar, 일본의 Sharp, Kyocera, 독일의 Q-cell, 대만의 Jintech solar 뿐만 아니라, 한국의 대표적인 태양전지 모듈 제조사인 Hyundai Heavy Industries, Shinsung Holdings, Milinet solar 등도 참석하여 결과물들을 전시하였다.

참석한 태양전지 제조사들은 대부분 결정질 실리콘 태양전지 모듈을 생산하고, 중국 업체가 태양광 부문에서 강세를 나타내었다. 비록 아직 국내 태양전지 모듈 제조사들이 세계적인 순위에 들지 못했지만, 꾸준히 경쟁력을 확보해 나가고 있다. 박막태양전지 제조사 중 유일하게 경쟁력을 확보한 곳은 카드뮴 텔룰라이드 태양전지를 생산하는 First solar이지만, 독일의 Wurth solar, Sulfurcell Solartechnik, Solarion AG, 미국의 Global solar energy, 일본의 Solar frontier 등의 CIGS 태양전지 제조사와 스페인의 BP solar, 일본의 KANEKA 등 실리콘 박막태양전지 제조사들도 참석하여 결과물들을 전시하였다. 또한 차세대 태양전지인 염료 감응형 태양전지, 폴리머 태양전지 제조사들도 참석하였다. 태양전지 산업이 점점 성장해감에 따라 PVSEC 학회에 참석하는 태양전지 모듈 제조사의 수는 매회를 거듭할수록 증가하고, 활성화되고 있는 것 같다.

두 번째로 태양전지 장비 제조사인 스위스의 Oerlikon solar, 독일 centrotherm photovoltaics AG, ULVAC GmbH 뿐만 아니라, 한국의 대표적인 태양전지 장비 제조사인 Jusung engineering도 참석하였다. 그리고 기존의 CIGS 태양전지 장비 제조사는 많지 않아서, CIGS 태양전지 장비 제조사인 Manz Automation AG의 참석은 많은 주목을 받았다. 태양광 산업은 고효율 태양전지를 안정적으로 제조하는 것이 중요하기 때문에, 안정적으로 생산할 수 있는 장치가 매우 중요하다. 그래서 태양전지 제조 공정의 하나하나 장치를 부분적으로 제조하는 업체는 많지만, 태양전지 제조 전체를 다루는 장비 업체는 전 세계적으로 태양전지 모듈 제조사의 숫자에 비해 현저히 적은 실정이다.

세 번째로 태양전지 관련 연구소인 독일의 Fraunhofer ISE, Helmholtz-Zentrum Berlin, ZSW 등도 참석하였다. 그리고 태양전지 관련 전문매체인 Photon consulting, Photowatt 등도 참석하여 관련 통계 및 자료를 전시하였다. 마지막으로 태양전지 관련 다수의 정부기관/정부부기관들도 참석하여 태양전지의 현황과 미래에 대한 각종 자료를 전시하여 눈길을 끌었다.

이번 학회에서는 다양한 태양전지의 최신 연구결과에 대한 학술적인 발표뿐만 아니라, 신성장산업으로써 빠르게 발전하는 태양전지 산업의 결과를 볼 수 있어 태양전지 산업 발전 동향을 빠르게 확인할 수 있는 자리가 되었다.

분석자 결론

25th EUPVSEC/5th WCE 학회는 결정질 실리콘 태양전지, 박막태양전지를 비롯하여 염료 감응형 태양전지 등 전반적인 태양전지의 연구 동향 및 기술 개발에 대해 태양전지 전문가들이 모여 발표 및 토론을 하는 자리였다. 그리고 이번 학회를 통해 태양전지 모듈 및 장비 제조사와 태양전지 관련 연구기관과 전문매체들이 새로운 결과물 및 통계자료를 전시하는 기회가 마련되었다. 몇 년 전 실리콘 웨이퍼 공급 부족으로 실리콘 웨이퍼 가격이 급등하였고, 원재료에 대한 비중이 큰 결정질 실리콘 태양전지의 제조 단가 역시 가파르게 상승했다. 하지만 최근 실리콘 웨이퍼 공급이 상당히 해소되었고, 실리콘 웨이퍼 제조 기술력 향상으로 결정질 실리콘 태양전지는 1달러/Wp 실현이 눈앞으로 다가왔다.

그래서 대부분 태양전지 제조사들은 현재 결정질 실리콘 태양전지를 생산하고 있고, 이의 경쟁력을 더욱 제고시키기 위해 노력하고 있다. 이번 학회에서도 결정질 실리콘 태양전지에 대한 연구로 표면 패시베이션, 실리콘 원재료 및 웨이퍼링, 태양전지 결함 분석 등 여러 분야를 심도 있게 다루어졌다. 그리고 고가의 장비를 사용하지만 얇은 박막으로 직렬연결이 가능한 박막태양전지에 대한 발표와 토론도 활발히 이루어졌다. 실리콘 박막태양전지의 투명전극도막 및 광 포획, 제조 공정 향상 등에 대한 연구, CIGS 태양전지의 대체 광흡수층인 CZTS 및 대체 버퍼층인 황화아연 및 황화인듐 등에 대한 연구, 유연성 있는 CdTe 태양전지에 대한 연구 등 다양한 박막태양전지의 연구 결과 및 방향에 대한 발표 및 토론이 이루어졌다. 뿐만 아니라 핫 캐리어 태양전지와 같은 차세대 고효율 태양전지 실현에 대한 발표도 이루어졌다.

본 학회에서는 전반적인 태양전지에 대한 학술적인 발표뿐만 아니라 한국에서 신성장 동력으로 각광 받고 있는 태양전지 산업들이 대거 참가한 전시회도 성황리에 이루어졌다. 그리고 한국의 태양전지 제조사들도 적극적으로 참석하였다. 그래서 전시회를 통해 실제적으로 태양광 발전의 흐름 및 현주소를 확인할 수 있는 기회가 된 학회라고 생각한다.

본 보고서에서는 plenary sessions, oral sessions, 그리고 visual poster sessions에서 논의되었던 주요 연구 성과들을 정리해서 보고하였다. 그리고 전시회의 당시 분위기에 대해서도 간략하게 소개되었다. 지면의 한계와 학회의 규모에 따른 모든 연구 성과들을 언급하지 못하는 점을 양해 바라며, 기타 연구 성과들은 홈페이지나 프로그램을 참조해주길 바란다. 본 보고서가 전반적인 태양전지의 연구 동향 이해에 대한 좋은 길잡이가 되길 바란다.

 

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