[국내동향] 태양광 기술 개요 및 산업동향

태양광 발전 소개 1. 태양광 발전 원리 태양전지는 반도체 소자 기술로서 p-형 반도체와 n-형 반도체를 접합시켜 제작한다. (<그림1> 참조) 태양전지에 빛이 조사되면 전자가 빛 에너지를 흡수하여 들뜨게 된다. 이 때 들뜬 전자는 반도체 p-n 접합 계면에 있는 전기장의 영향을 받아 일정한 방향으로 흐르게 된다. 이는 마치 물을 높은 곳으로 끌어 올렸다가 댐을 통해서 흐르게 하여 전기를 얻는 원리와 유사하다. 물론 태양전지에서는 터빈을 돌리는 것은 아니고 전자가 일정한 방향으로 흐르게 만들어서 직류 전기(DC)를 얻어낸다는 차이점이 있다. 태양전지의 윗면과 아래 면에 금속 전극을 연결하여 전류가 외부로 흐르게 함으로써 부하에 전력을 공급한다.

2. 태양광 발전 구성요소

태양광발전의 구성요소는 태양전지 및 모듈, 전력변환 및 제어장치(PCS : Power Conditioning System), 시스템 설계 및 설치분야로 나눌 수 있다. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5V로 매우 작으므로 여러 개를 직렬, 병렬로 연결하여 수 V에서 수백 V이상의 전압을 얻도록 하고 패널 형태로 제작한 것을 모듈이라고 한다. 이 모듈을 여러 개로 이어서 용도에 맞게 설치한 것을 어레이라고 한다. 태양광발전용 전력변환장치는 크게 인버터와 전력제어장치로 구성되어 있으며 태양전지 어레이로부터 발생된 직류전력을 상용주파수·전압의 교류로 변환하여 전력계통에 연계하는 역할을 수행하며 동시에 시스템의 직류, 교류 측의 전기적인 감시 보호를 하는 등 태양전지 본체를 제외한 주변장치 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 요소이다. 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 소재가 차지하는 부분(원자재, 태양전지, 모듈, 그리고 인버터)이 전체의 약 50% 정도에 이른다. (<그림3> 참조)

가. 태양전지 현재 실용화되어 전원용으로 이용되고 있는 것은 주로 실리콘(Si) 태양전지이다. 실리콘 태양전지는 이미 반도체 분야에서 많이 연구 개발이 되어 있고 또 그 동안 누적 보급 면에서 월등하므로 기술의 신뢰성이 높다. 사용목적에 따라 다른 종류의 반도체를 이용한 태양전지도 실용화 단계에 있으며, 특수한 소재 및 구조를 가지는 태양전지에 대한 연구도 진행 중이다. 현재 결정질 실리콘 태양전지가 전체 태양전지시장의 95%를 차지하고 있으며, 저가 고 효율화를 목표로 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 결정질 실리콘 태양전지의 연구와 더불어 박막형 태양전지(薄膜型 thin film-type)에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며, 2010년에 박막태양전지가 전체 태양전지 시장의 25%를 점유할 것으로 예상되고 있다. 태양전지는 물성에 따라 <그림4>와 같이 분류될 수 있다. ·결정질 실리콘 전지 결정질 실리콘은 물리적 특성 면에서 태양전지를 위한 가장 이상적인 물질은 아니지만 전자산업에서 이미 개발된 기술 및 장비를 동일하게 활용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 실험실 수준의 효율은 20% 이상을 나타내고 있으며, 양산용 셀의 효율은 평균적으로 13%∼17%를 보이고 있다. 실리콘 태양전지의 이론적 최대 효율은 약 25% 정도이며 이미 실험실 수준에서는 이 한계치에 가까운 효율이 보고된 바 있다. ·박막형 태양전지 박막형 태양전지는 유리, 스테인리스 또는 플라스틱과 같은 저가의 기판에 감광성 물질의 얇은 막을 수 마이크론 두께로 씌워 만들어진다. 재료에 의존적인 결정질 실리콘 전지에 비해 생산단가가 낮고, 자동화를 통해 모듈 공정까지 일관화 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있지만 대체로 낮은 효율과 모듈의 수명에 관한 실증 연구가 부족하다는 단점을 가지고 있다. 비정질 실리콘(a-Si : amorphous silicon), CIS(copper indium diselenide) 또는 CIGS(copper indium-gallium diselenide), 그리고 CdTe(cadmium telluride)의 세 가지 종류의 박막모듈이 현재 상업화되어 있다. 세계 수준의 셀 효율은 현재 18.4 %(CIGS의 경우) 에 도달하고 있으며 현재 상업화된 모듈은 약 10% 수준의 안정화 효율을 보이고 있다. 이러한 효율 수준은 2005년에는 12%에 도달할 것으로 예상된다. · 집광형 태양전지 (Concentrator Cell) 집광형 전지는 프레즈넬 렌즈와 같은 집광기를 사용하여 넓은 면적의 빛을 수 cm2 크기의 태양전지에 집중시켜 태양전지 시스템 가격을 낮추는 방식이다. 대개 100배∼500배 정도로 집광하는 시스템이 사용된다. 태양전지의 양을 최소화 할 수 있는 장점이 있지만 산란광을 활용하기 어려워서 추적 장치를 통해 항상 태양 방향을 향하도록 해야 한다는 점과 냉각장치가 필요하다는 점등이 단점으로 지적되고 있다. 나. 태양전지 모듈 태양전지 모듈은 일반적으로 유리(glass)/충진재(EVA)/태양전지소자(cell)/충진재(EVA)/표면재 (back 시트)의 형태로 구성되어 있으며, 표면재(back 시트) 대신에 유리나 알루미늄 판재 등을 사용하기도 한다. 모듈의 구조는 태양전지의 종류에 따라 달라진다. 현재 상용화되고 있는 태양전지 모듈은 <그림5>와 같이 분류된다. 일반적으로 표면재는 강화유리를 사용하게 되는데 유리 자체의 광흡수 손실을 줄이기 위하여 광투과도가 높을 것, 표면 반사 손실을 낮추기 위한 처리가 되어 있을 것 등이 요구된다.

충진재로 쓰이는 EVA(ethylene vinyl acetate)는 깨지기 쉬운 태양전지 소자를 보호하기 위해 셀 전후면과 유리 사이에 삽입하는 물질로써 다음과 같은 조건을 만족해야 한다. ·모듈 제조 시 취급이 간편해야 한다. ·급변하는 온도에 따른 변화가 적어야 한다. (이탈, 공기층 형성, 변색 등) ·수명이 반영구적이어야 한다. (약 20년) ·광투과율이 높아야 한다. ·90℃ 정도의 고온에서도 구성품의 파손이 없어야 한다. ·외부환경과 물리적인 충격에 태양전지 셀의 파손이 없어야 한다. ·전기적인 절연이 되어야 한다. ·염해 및 온도의 변화에 따른 스트레스가 적어야 한다. EVA 시트는 장기간 외부에 노출될 경우 습기 침투로 인하여 전극 금속의 부식 등을 유발시켜 전기적인 특성을 저하시킬 우려가 있으며, 또한 변색되어 광투과도를 낮출 수 있어 모듈 제조시 EVA 시트의 특성에 맞는 공정을 채택하여 제작해야 모듈 수명을 연장하고 신뢰성을 확보할 수 있게 된다. Back 시트는 태양전지 모듈의 구조에 따라 다르기도 하지만 일반적으로 태양전지 모듈의 구조에서 아래 면에 위치하게 되며 각 층간의 접착력이 좋아야 하고, 다루기가 간편해야 하며, 후면에서 침투하는 습기를 방지하여 태양전지 셀을 외부환경에서 보호해야 한다. 여러 가지 색깔이 나오고 있지만, 일반적으로 백색과 청색을 많이 사용하고 있으며, 고온 다습에 잘 견디고 내구성이 우수해야 태양전지 모듈의 수명을 연장시킬 수 있다. 건물 일체형(building-integrated) 태양전지 모듈에서는 알루미늄 판재나 유리등을 사용하기도 한다. 일반적으로 사용되는 back 시트의 재질은 테드라/알루미늄/테드라 층으로 구성된 얇은 시트로 구성되어 있다. 태양전지 모듈에 사용되는 back 시트는 일반적으로 두께 0.1∼0.2㎜를 많이 사용하고 있으며, 두께가 얇을수록 lamination 하는데 쉬워질 수 있으나, 내구성에 대한 문제점도 내포하고 있으며, 외부에서 미세한 접촉으로도 흠집이 잘 나서 태양전지 셀과, 전극, 도체리본 등의 부식을 유발시킬 수 있고 습기 침투로 인하여 내부 절연파괴 등이 발생할 수 있다. 다. 태양전지모듈 제조 방법 <그림6>과 같이 먼저 태양전지의 선별을 위해 셀 분류기에 장입하면 셀의 전류-전압 특성이 측정되고 등급별로 태양전지를 나누게 된다. 셀 홀더를 tabbing & stringing 장치에 걸면 금속 리본 절단기가 작동하여 리본을 적절한 길이로 절단하고 적외선램프로 가열하여 셀 전극에 접합시켜 셀을 전기적으로 연결한다. 한 줄로 연결된 셀을 어레이 장치에 의해 배열하게 되며, 배열이 끝나면 수 작업에 의해 회로 작업을 하고 EVA 시트 및 back 시트를 세팅하게 된다. 세팅이 완료되면 장입 장치를 이용하여 laminator에 고정시키고 lamination이 종료되면 제거 장치를 이용하여 모듈을 꺼내고 육안 검사를 실시한다. 만일 불량이 검출되면 수정작업을 수행하고 정상적인 상태이면 건조 가열 후 junction box 및 프레임을 결합하고 출하시험을 하게 된다. 태양전지모듈 제조공정에서 각각의 공정마다 전기적인 특성과 수명에 영향을 미치지 않는 공정은 하나도 없지만, 그 중에서 lamination 공정은 생산성과 경제적 손실에 가장 영향이 큰 공정으로써, 불량률을 최소화하는 것만이 손실을 줄일 수 있다. 라. 전력변환장치(PCS) 전력변환장치는 크게 인버터 부분과 전력제어장치 부분으로 구성된다. 인버터는 태양전지에서 생성되는 직류전기를 교류전기로 변환시켜주는 역할을 한다. 인버터는 계통연계형 태양광 시스템에 필수적인 요소이다. 3kW∼6kW급 태양광 발전에서부터 100kW급 이상의 대규모 태양광 시스템까지 폭넓은 범위에서 사용될 수 있다. 마. 태양광 시스템의 종류 ·계통연계형 시스템(grid-connected system) 주택용이나 상업용 태양광 발전의 가장 일반적인 형태이며 지역 전력 계통과 연계되어 장비에서 생산된 전력 중 초과되는 부분을 지역 전력 사업자에 판매할 수 있도록 구성된다. 차액보전 제도가 있는 국가에서는 일반 전기료 보다 비교적 높은 가격으로 시스템에서 생산된 전기를 구입하여 준다. 독일 또는 스페인과 같은 나라가 차액보전 제도를 시행하는 대표적인 시행국가이며 현재 우리나라에서도 시행되고 있다. ·계통 지원형 시스템(grid-support) 지역 전력 계통과 연결되어 있을 뿐 아니라, 축전지와도 연결이 되어 있는 구조로서 시스템에서 생산된 전력을 축전지에 저장해 두었다가 지역 전력사업자에 판매하게 된다. ·독립형 시스템(off-grid, 또는 stand-alone) 지역 전력 계통과 완전히 분리된 발전방식으로 충전장치와 축전지에 연결시켜 생산된 전력을 저장하고 사용하는 방식이다. 인버터를 통해 중앙전력장치 없이 생산된 전력을 직접 일반 전기제품에서 사용할 수 있도록 직류전압을 교류전압으로 바꾸어준다. 오지, 도서지역의 주택 전력공급용이나 통신, 양수펌프, 백신용의 약품냉동보관, 안전표지, 제어 및 항해 보조도구 등 소규모 전력공급용으로 사용된다. 태양광 발전의 장점 1. 공간 절약형 설치 가능 태양광 시스템은 태양광이 있는 곳이라면 어디라도 쉽게 설치가 가능하다. 즉 주택, 건물, 또는 공장 등의 지붕이나 외관에 설치할 수 있는 많은 잠재력을 가지고 있다. 또한 최근에는 모듈을 직접 건물의 외장재로 사용할 수 있는 건물 일체형 모듈의 연구 및 개발도 활발하게 진행되고 있다. 2. 전력망의 개선 태양광 시스템은 전력을 필요로 하는 장소와 근접하여 설치할 수 있기 때문에 전송에 따른 손실을 줄일 수 있다. 3. 환경친화형 에너지 태양광 시스템은 발전 시 어떠한 유해가스도 배출하지 않으며 소음도 발생하지 않는다. 특히 온실 가스의 주범인 CO2 가스를 전혀 발생하지 않고 에너지원인 태양광 에너지의 자원이 무한하다는 점에서 진정한 의미에서의 친환경 에너지라고 할 수 있다. 4. 경제성장에 기여 태양광 발전은 고용창출, 에너지 자립, 그리고 국가 균형 발전에 중요한 위치를 차지할 수 있다. 특히 일자리 창출을 통한 지역 경제의 활성화에 큰 역할을 한다. 제품생산을 통한 고용창출 효과뿐만 아니라 설치 및 판매 그리고 유지보수 등 모든 분야에서의 고용창출 효과가 발생하게 된다. 생산 부문에서는 MWp 당 17개의 일자리 창출, 설치 및 판매 부문에서는 30개의 일자리가 창출되고 있다. 2003년에 전 세계 태양광 발전 생산 부문 인력은 8,144명, 설치 및 판매 부문 인력은 17,451명, 그리고 유지보수 부문 인력은 2,354명이었고, 2020년에는 각각 생산 389,438명, 설치 및 판매 1,460,391명, 그리고 유지보수 412,920명으로 증가할 것으로 예상되고 있다. (자료출처: Solar Generation, EPI, Greenpeace, 2004년 10월) 태양광 시장 현황 1. 세계 시장 현황 2004년에 세계 태양전지 및 모듈의 생산량 1GWp의 벽을 넘어선 태양광 산업은 지난 6년간 연평균 30% 이상의 고속 성장을 기록하고 있으며 현재 가장 빠르게 성장하는 산업 중 하나다. (<표1> 참조) 최근 발표된 Credit Lyonnais Security Asia의 보고서에 따르면, 태양광 산업은 2004년 약 58억 유로에서 2010년에는 5.3GW, 약 250억 유로 규모의 시장을 형성할 것이다. (Rog 2004) 일본, 유럽, 미국이 전 세계 태양전지 및 모듈 생산량의 약 88%를 차지하며, 전 세계 시장을 선도해 나아가고 있다. (<그림7> 참조) 생산량의 대부분은 일본, 유럽, 미국 등이 정부 주도로 추진하고 있는 대규모 주택용 태양광 시스템에 사용되고, 일부는 제 3세계의 오지나 낙도 등 전기의 혜택을 받지 못하고 있는 주민을 위한 특수 목적의 전원 공급용으로 이용되고 있다. 해외 선진 기업들은 에너지회사의 신규참여를 위한 기존 기업의 인수합병 혹은 생산단가를 줄이기 위한 생산시설 확대를 경쟁적으로 추진하여 대형화되고, 있는 추세이다. 유럽은 BP, Shell, RWE 등 에너지 회사가 주도하고, 일본은 반도체 및 전자업체가 주도를 하고 있으며, 미국은 GE가 Astopower를 인수하여 신규진출을 도모하고 있다. 태양전지 생산업체 중 상위 10개 회사가 차지하는 전체 시장 비율은 약 80%에 이르고 있다. (<그림8> 참조) 일본의 샤프는 전체 시장의 약 26%를 차지하며 세계 1위의 자리를 차지하고 있다. 2004년도 324MWp를 생산한 Sharp는 전년도 대비 64%의 성장률을 보이고 있으며 500MWp 이상의 생산능력을 보유하고 있으며 지속적인 생산라인 증설을 계획하고 있다. 2004년 105MWp를 생산한 교세라는 2005년 말까지 240MWp의 생산능력을 보유하기 위한 라인 증설을 계획하고 있다. 이와 같이 업체별로 라인증설 등 태양광 시장 확대에 대비하여 가격저하와 세계시장 선점을 추구하고 있다. 태양광 시장은 지속적인 상승이 예상되지만, 향후 1∼3년간의 실리콘 원자재 수급의 병목현상으로 인해 일시적인 상승률 정체가 나타날 것으로 예상되고 있다. 또한, 현재 가격저감을 위한 기술개발이 지속되고 있지만, 그 한계성이 있기 때문에 새로운 차세대 기술 개발을 통해 가격을 저감하는 등 장기적인 계획이 요구되고 있다. 2. 국내현황 2001년 대체에너지 공급량 2,457.6천 toe 중 태양광 에너지 공급 비중 0.2%(5.9천toe)로 매우 미흡한 상태이지만, 태양광발전 차액보전제도 및 공공건물 의무화 시행으로 태양광 시스템의 보급이 빠르게 확대될 것으로 기대되고 있다. (<표2> 참조)

태양광 시장의 확대에 따른 국내 관련 산업계의 관심도 높아지고 있는 상황이며 다수 업체에서 기술개발 및 보급 사업에 참여하고 사업화 계획을 세우고 있다. 현재의 국내 기업의 모듈 생산능력 (2005년 현재 30MWp 이상)이 이미 국내 시장의 수요 (2005년 약 6MWp 추정)를 초과하고 있을 만큼 국내 시장이 협소하며, 국내 보급 시장의 확대 및 해외시장 개척 활동이 적극적으로 추진되어야 한다. 국내의 양산기술력이나 원천기술력이 선진국 대비 60~80% 수준에 불과하여 지속적인 성장과 국제경쟁력을 갖추기 위한 성장 동력이 부족한 실정이다. 또한 전문인력이 부족하여 효과적인 기술개발 및 신규업체의 투자에 장애 요인으로 작용하고 있는 실정이다.