[단기연재] 신재생에너지, 어디까지 왔나-청정 에너지원, 태양광

개요 태양에너지는 청정하고 재생가능하며 무한한 에너지원이다. 태양광 기술은 태양 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 시스템 기술이다. 에너지 변환 과정에 기계적, 화학적 작용이 없으므로 시스템의 구조가 단순하여 유지 보수가 거의 요구되지 않고 수명이 20∼30년 정도로 길며 안전하고 환경친화적이다. 또한 발전 규모를 주택용에서부터 대규모 발전용까지 다양하게 할 수 있다. 태양광 시스템은 빛을 받아 전기를 생산하는 태양전지 모듈과 생산된 전기를 저장하는 배터리, 전기를 직류에서 교류로 변환하고 이를 전력계통에 연결시키는 등의 기능을 담당하는 인버터 PCS(power conditioning system)로 구성된다. 태양광 산업은 지난 6년간 연평균 30% 이상 성장하였으며 특히 최근 2∼3년간은 약 40% 이상 성장했다. 일본과 독일을 비롯한 세계 여러 나라의 태양광 보급 정책에 힘입어 2004년에는 태양전지 생산량이 약 1.2GWp(약 $83억)에 이르렀으며 2005년도에는 약 1.5GWp에 이를 것으로 추정된다.(CLSA, 2005. 7) 지난 2004년 세계 태양광 시장의 90% 이상을 웨이퍼 형태의 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있으며 이에 대한 효율 향상 및 가격 저감을 위한 연구개발이 활발하게 전개되고 있다. 다결정 실리콘 태양전지가 전체 시장의 약 50%를 차지하고 단결정 실리콘 태양전지는 약 40%를 차지하고 있다. 셀 생산 단가를 낮추기 위한 방법으로 실리콘 웨이퍼를 박형화(두께 약 200㎛)하는 추세이며 한편으로는 유리 기판을 사용하는 ‘박막 태양전지’ 기술(막 두께 2∼3㎛)이 개발되어 시장에 진입하고 있다. 태양광 기술의 진보에 따라 시스템의 성능이 향상되고 발전단가가 낮아지면 태양광 시스템의 보급이 더욱 확대될 것으로 보인다. 해외 선두 기업들은 기업간 인수합병 또는 생산시설 확대를 경쟁적으로 추진하여 규모의 경제를 확보하고 있는 추세이다. 국내의 기술 수준은 1988년 이후 꾸준한 연구개발에도 불구하고 선진국 대비 70% 선에 그치는 것으로 평가되고 있다. 태양광 분야는 반도체 및 디스플레이 기술과 공통점이 많으므로 한국이 단시간에 기술 경쟁력을 갖출 잠재력이 크다. 따라서 국내 연관 산업의 인적, 물적 인프라를 활용하여 전략적으로 접근하면 단기간에 차세대 수출산업으로 성장할 가능성이 높다. 태양광 산업의 성장에 가장 중요한 요소 중의 하나는 일관성 있는 정부의 지원정책이다. 중장기적 전략 수립 및 이의 실행에 노력을 집중하면 태양광 산업이 반도체, 디스플레이를 잇는 차세대 수출 산업으로 자리 잡을 것이다. 1. 태양광 발전의 원리 및 구성요소

태양전지의 기본 구조 및 전기 생산 과정을 <그림 1>에 나타내었다. 태양전지는 p형과 n형 반도체를 접합시키고(‘p-n 접합’) 각각의 표면에 금속전극을 붙여 제작한다. 빛이 반도체에서 흡수되면 전자와 정공 쌍이 생성되고 전자와 정공은 p-n 접합부에 존재하는 전기장의 영향으로 서로 반대 방향으로 흘러간다. 따라서 도선으로 연결된 외부 회로에 전기가 발생하게 된다. 에너지 변환 효율을 높이기 위해서는 (i) 가급적 많은 빛이 반도체 내부에서 흡수되도록 하고, (ii) 빛에 의해 생성된 전하들이 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 하며 (iii) p-n 접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재 및 공정을 설계해야 한다. 전체 태양광 시스템은 그림과 같이 (i) 빛을 전기로 전환시켜 주는 부분과 (ii) 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환시키고 계통에 연결시켜 주는 부분 (PCS/인버터)으로 구성된다. 태양광 시스템의 구성 요소 중 핵심 부품은 태양전지이다. 태양전지는 기본적으로 반도체 소자이며 빛을 전기로 변환하는 기능을 수행한다. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5∼0.6V로 매우 작으므로 여러 개를 직렬로 연결하여 수 V에서 수백 V 이상의 전압을 얻도록 패널 형태로 제작한 것을 모듈이라고 한다. 이 모듈을 여러 개로 이어서 용도에 맞게 설치한 것을 어레이라고 한다. PCS/인버터 부분은 태양전지 어레이로부터 발생된 직류전기를 상용주파수·전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계하는 역할을 수행하며 동시에 시스템의 직류, 교류 측의 전기적인 감시·보호를 하는 등 태양전지 모듈을 제외한 주변장치 중에서 가장 큰 비중을 차지한다. 태양광 시스템 설계 및 설치의 경우 태양광을 최대한 활용하기 위한 경사각 및 방위각을 위한 설계, 계통연계를 위한 설계, 사후관리를 위한 설계 등 시스템 효율의 최적화를 위한 사항들이 검토되어야 한다. 태양광 시스템의 평균 설치비의 내용을 보면, 전체 비용 중 소재가 차지하는 부분(원자재, 태양전지, 모듈 등)이 전체의 약 60%에 이른다.

(1) 태양전지 현재 실용화되어 전원용으로 사용되고 있는 것은 주로 결정질 실리콘(Si) 태양전지이다. 실리콘 태양전지 기술은 반도체 분야의 기술과 더불어 발전되어 왔으며 기술의 신뢰성이 높다. 현재 결정질 실리콘 태양전지는 전체 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하며 저가 고효율화를 달성하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 태양전지의 저가화를 위하여 박막형(薄膜型) 태양전지(thin film-type solar cell)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며 향후 태양전지 시장에서의 점유율이 높아질 것으로 예상되고 있다. 태양전지는 물성에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.

(가) 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline Silicon Solar Cells) 결정질 실리콘은 물리적 특성 면에서 태양전지를 위한 이상적인 물질은 아니지만 반도체 산업에서 이미 개발된 기술 및 장비를 동일하게 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 실리콘 태양전지의 이론적 최대 효율은 약 25%이며 이미 실험실 수준에서는 이 한계치에 가까운 효율이 보고된바 있다. 단결정 또는 다결정 웨이퍼를 사용하며 양산용 셀의 효율은 14%∼17%를 보이고 있다. (나) 박막 태양전지(Thin Film Solar Cells) 박막 태양전지는 유리, 스테인리스 강 또는 플라스틱과 같은 저가의 기판에 반도체 막을 코팅하여 제작된다. 결정질 실리콘 전지에 비해 소재를 적게 사용하고 자동화를 통해 모듈 공정까지 일관화 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있지만 대체로 효율이 낮고 모듈의 수명에 관한 실증 연구가 부족하다는 단점을 가지고 있다. 양산 관련 기술의 부족으로 아직까지는결정질 실리콘에 비하여 가격 경쟁력이 검증되지 않은 상태이다. (다) 유기계 태양전지(Organic Solar Cells) 유기계 태양전지는 유기소재를 광활성층의 전부 또는 일부에 적용하는 신형 태양전지로서 염료감응형과 유기분자형 구조가 있다. 시스템 가격을 낮출 수 있는 가능성이 크나 집중적인 연구개발을 통해 내구성 등의 검증이 필요한 기술이다. (라) 집광형 태양전지(Concentrator Solar Cells) 집광형 시스템은 프레넬 렌즈나 반사경을 사용하여 넓은 면적의 빛을 태양전지에 집중시키는 방식이다. 대개 수 배∼500배 정도로 집광한다. 동일한 면적에 대하여 태양전지의 크기를 감소시키고 이에 따라 시스템 가격을 낮출 수 있는 장점이 있지만 집광도를 높일 경우 산란광을 활용하기 어렵고 추적 장치를 통해 항상 태양 방향을 향하도록 해야 한다는 점과 냉각장치가 필요하다는 점 등이 단점으로 지적되고 있다. (2) 태양전지 모듈 실리콘 태양전지 모듈은 일반적으로 유리/충진재(ethylene vinyl acetate, EVA)/태양전지 소자/충진재(EVA)/표면재(백시트)의 형태로 구성되어 있다. 일반적으로 표면재는 저철분 강화유리를 사용하는데 광투과도가 높을 것, 표면 광반사 손실을 낮추기 위한 처리가 되어 있을 것 등이 요구된다. 충진재로 쓰이는 EVA는 깨지기 쉬운 태양전지 소자를 보호하기 위해 태양전지 전후면과 표면재 사이에 삽입하는 물질이다. EVA 시트는 장기간 자외선에 노출될 경우 변색되고 방습성이 떨어지는 등의 문제가 발생할 수 있으므로 모듈 제조시 EVA 시트의 특성에 맞는 공정을 채택해서 모듈 수명을 연장하고 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 백시트는 태양전지모듈의 뒷면에 위치하게 되는데 각 층간의 접착력이 좋아야 하고 다루기가 간편해야 하며, 후면에서 침투하는 습기를 방지하여 태양전지 소자를 외부환경으로부터 보호해야 한다.

(3) 전력변환제어장치(PCS/인버터) 전력변환제어장치는 크게 인버터 부분과 전력제어장치 부분으로 구성된다. 인버터는 태양전지에서 생성되는 직류전기를 교류전기로 변환시켜 전력계통에 공급하는 역할을 한다. 인버터는 계통연계형 태양광 시스템에 필수적인 요소이다. 3kWp∼6kWp급 태양광 발전에서부터 100kWp급 이상의 대규모 태양광 시스템까지 폭넓은 범위에서 사용될 수 있다. 전력제어 부분은 태양광 모듈에서 최대 출력을 얻고 직류, 교류 측의 전기적인 감시·보호 기능을 수행한다. 2. 태양광 시스템의 종류 (1) 계통 연계형 시스템(grid-connected system) 태양광 시스템에서 생산된 전력을 지역 전력망에 공급할 수 있도록 구성되며 주택용이나 상업용 태양광 발전의 가장 일반적인 형태이다. 초과 생산된 전력을 계통에 보내거나 전력 생산이 불충분할 경우 계통으로부터 전력을 받을 수 있으므로 전력저장 장치가 필요하지 않아 시스템 가격이 상대적으로 낮다. (2) 독립형 시스템(off-grid 또는 stand-alone system) 전력 계통과 분리된 발전방식으로서 축전지에 태양광 전력을 저장하고 사용하는 방식이다. 생산된 직류 전력을 그대로 사용할 수 있도록 직류용 가전제품과 연결하거나 인버터를 통해 교류로 바꾸어준다. 오지, 도서지역의 주택 전력공급용이나 통신, 양수펌프, 백신용의 약품냉동보관, 안전표지, 제어 및 항해 보조도구 등 소규모 전력공급용으로 사용된다.