[국내 신기술①] 세계 최고 수준 태양광 성능 평가 기술 국산화, 에너지연 · 표준연 협력 연구 통해 핵심 기술 개발

세계적으로 환경 친화적인 재생에너지의 중요성을 강조하는 가운데 태양광 시장이 급성장했다. 2010년에 2009년 대비 100% 성장했으며, 2011년 시장 규모는 500억 달러로 메모리 반도체 시장을 추월할 전망이다. 우리나라의 경우 90여 개 산업체가 태양광의 핵심인 태양전지 사업에 참여했으며, 2020년에 메모리 · 시스템 · 광소자를 포함한 전체 반도체 산업의 시장 규모를 넘어설 것으로 보인다. 이러한 태양광 산업의 급성장에도 독자적으로 태양전지 성능을 평가하지 못해 관련 산업계의 경쟁력 향상에 걸림돌로 작용해 왔다. 이를 해결하고자 한국에너지기술연구원(KIER)과 한국표준과학연구원(KRISS)은 공동으로 미국 · 독일 · 일본 등 태양광 기술 선진국과 대등한 수준의 '1차 기준 태양전지 교정 기술'을 개발하는 데 성공했다.

KIER과 KRISS 공동 연구팀은 솔라 시뮬레이터의 절대 복사도 측정 방법과 미분 분광 감응도 측정 방법으로 세계적인 선도 기관과 측정 일치도 99.5% 이상인 '1차 기준 태양전지 교정기술'을 확보했다. 태양전지 중 정밀도가 가장 높은 1차 기준 태양전지는 시험 기관이나 생산 현장에서 사용하는 태양전지의 성능을 평가하기 위한 최상위 비교 기준으로 신뢰성에 절대적인 영향을 미친다. 그동안 우리나라는 외국에서 교정한 1차 기준 태양전지에 의존해 태양전지 성능을 평가함으로써 측정의 신뢰도나 자립성 부족 등이 문제점으로 대두돼 왔다.
그러나 KRISS가 보유한 광 측정 표준기 교정 기술과 KIER이 보유한 태양전지 성능 평가 기술을 결합해 해외 선도 기관과 일치하는 결과를 보임으로써 1차 기준 태양전지 교정 기술의 국산화를 이뤄냈다. 연구에 참여한 KRISS 이동훈 박사는 "국가 측정 표준을 확립해 보급하는 기관과 태양광을 연구하는 기관이 협력해 반드시 확보해야 할 국가 인프라 기술을 개발한 사례로 의미가 더욱 크다"라고 밝혔다. 공동 연구팀은 1차 기준 태양전지 교정 기술을 바탕으로 국제 규격으로 정한 2차 기준 태양전지를 표준 기준물로 개발해 산업체와 시험 기관에 보급하고 교정하는 서비스를 제공할 예정이다. 연구 총괄 책임자인 KIER 윤경훈 박사는 "이 기술을 통해 최근 태양전지 기술 개발과 생산에 박차를 가하는 태양광 산업계에 세계 최고 수준의 성능 평가 서비스를 제공하겠다"면서, "또한, 1 · 2차 기준 태양전지 교정에 관한 국제 협력 프로그램인 WPVS(World Photovoltaic Scale : 세계 태양전지 눈금)에 참여해 우리나라에서 생산하는 태양전지 제품의 성능 평가 신뢰도를 높이는 데도 이바지하겠다"라고 밝혔다.
지식경제부 기술 혁신 사업(신재생에너지 기반구축 사업)으로 KIER과 KRISS가 공동으로 실시한 이 연구는 태양전지 성능 평가 기술의 자립성을 확보해 태양광 산업의 수준을 한 단계 끌어올렸다는 점에 주목할 만하다.

1차 기준 태양전지 교정 기술 개요

태양광을 흡수해 전기를 만드는 태양전지나 태양광 모듈의 출력과 효율 등의 성능은 반드시 국제 규격으로 통용되는 표준 시험 조건(Standard Test Condition; STC)에서 측정한 값으로 표기해야 한다. 정해진 빛의 세기는 1㎾/㎡, 빛의 파장별 분포는 AM(에어매스) 1.5, 태양전지의 온도는 25℃ 등이다. 측정 시험은 최대한 이 조건에 맞아야 하고, 여기에서 벗어나면 그만큼 보정해야 한다.

공인 시험 기관이나 생산 현장에서 태양전지의 성능을 측정할 때, 자연 태양광 상태에서 하지 않고 실내에서 자연 태양광과 그 세기와 파장 분포가 매우 유사한 솔라 시뮬레이터(인공 태양광원 혹은 모의 태양광원)를 이용한다. 그 이유는 자연 태양광은 시간과 장소에 따라 변화가 심하므로 정확도가 떨어지고, 또한 생산 현장에서 실시간으로 측정할 수 없기 때문이다. 솔라 시뮬레이터는 보통 제논 램프와 할로겐 램프에 여러 가지 광학 부품 등을 조합해 구성한다. 태양전지의 성능을 측정할 때는 세기를 항상 1㎾/㎡로 유지해야 하는데, 기준 태양전지를 이런 목적으로 사용한다. 기준 태양전지에는 표준 시험조건에서 측정한 전류값이 매겨져 있다. 솔라 시뮬레이터에서 이 전류값이 나오도록 솔라 시뮬레이터의 세기를 맞추고 태양전지 시료를 측정한다.

기준 태양전지는 그 수준에 따라 생산 현장에서 사용하는 작업용 기준 태양전지, 공인 시험 기관에서 사용하는 2차 기준 태양전지, 최상위 교정 정밀도를 가진 1차 기준 태양전지 등이 있다. 상업용과 연구용 태양전지의 성능 평가는 보통 작업용 기준 태양전지나 2차 기준 태양전지를 이용하며, 1차 기준 태양전지는 다른 하위 기준 태양전지를 교정하기 위한 비교 기준으로 사용한다.
이번에 개발한 1차 기준 태양전지 교정 시스템은 자연 태양광과 유사한 빛을 인공적으로 발생시키는 '솔라 시뮬레이터', 솔라 시뮬레이터에서 나오는 빛의 전체 세기와 파장별 분포를 측정하는 '절대 복사계'와 '분광 복사계', 솔라 시뮬레이터에서 나오는 빛에 대응해 태양전지가 출력하는 '단락 전류 측정기', 파장별 빛에 대한 태양전지의 감응도를 측정하는 '분광 응답 측정기'로 이뤄졌다. 측정의 정밀도를 확보하려면 분광 복사계와 분광 응답 측정기를 최상위 측정 표준으로 미리 교정해야 한다. 분광 복사계는 분광 복사 조도 측정용 표준 전구를, 분광 응답도는 표준 광 검출기를 사용해 교정한다. 이 2가지 기술은 KRISS가 이미 세계 최고 수준의 기술을 확보했다. 이렇게 다수의 정밀 장치가 필요한 이유는 기준 태양전지의 출력 전류 신호를 표준 시험 조건에서 값으로 환산하기 위한 것이며, 분광 복사계 · 절대 복사계 · 분광 응답도 측정기 등은 환산을 위한 보정 인자 도출에 사용한다.
앞에서 설명한 각 시스템 구성 요소 외에 1차 기준 태양전지 교정의 정밀도에 큰 영향을 끼치는 요인은 기준 태양전지를 포함한 측정 장치의 위치 정렬과 사용한 측정 표준의 교정 정밀도다. 이번에 KIER과 KRISS 공동 연구팀이 이 모두를 정밀하게 제어하는 기술을 확보한 것이다.