박막형 태양전지의 기술유형별 시장전망과 상용화 기대
기술사업화정보실 책임연구원 박창걸 (Tel: 02-3299-6036 e-mail: cgpark@kisti.re.kr)
| [요 약] 1. 태양전지는 사용되는 재료에 따라 실리콘계, 화합물, 염료감응, 유기 등으로 구분되며, 현재 주종을 이루고 있는 것은 비박막형의 결정질 실리콘 기술이다. 향후 부상할 것으로 기대되는 것은 화합물(예 CIGS, CdTE), 연료감응(DSSC) 등의 박막형 태양전지 기술이다. |
제품 개요
태양광 기술은 청정·무제한 에너지원으로 유지보수가 용이하고 장수명 기술인 반면, 자연조건(일사량)에 따라 전력 생산량이 제한적이며 초기투자비와 발전단가가 다소 높다는 단점이 있다. 아직까지 결정질 실리콘 기술이 주도적인 역할을 하고 있으나, 향후 박막형 태양전지 기술이 부상할 것으로 기대된다. 태양전지는 사용되는 재료에 따라 실리콘계, 화합물, 염료감응, 유기 등으로 구분된다. 그 가운데 박막형 태양전지로 부상할 소재는 화합물반도체로 CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)와 CdTe (Cadmium Telluride)와 염료감응소재인 DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)이다.
기존의 상용화된 대부분의 태양전지는 웨이퍼나 글라스와 같은 단단한 기판 위에 태양전지가 형성되어 있기 때문에 어느 정도 힘을 주어 구부리게 되면 형태가 변하거나 부서지게 된다. 하지만, 플렉서블 태양전지(Flexible Solar Cell)는 유연기판을 사용하여 제작하는 것으로 마음대로 구부리거나 휠 수 있다. 따라서 상황에 따른 형태의 변형이 가능할 뿐만 아니라, 가볍고 휴대성도 매우 뛰어나다는 장점이 있다.
태양전지의 소재에 따라 유기/polymer계 소재, 유무기 복합계 소재, 박막 Si, 박막 CIS계 등으로 나뉠 수 있다. 플렉서블 태양전지의 전체적인 제조 기술은 박막형 태양전지의 제조 기술과 크게 다르지 않지만, 기판이 달라짐에 따라 박막의 물성 및 공정 조건이 달라지기 때문에 별도의 기술 개발을 필요로 한다. 태양광분야의 업체들은 기존의 치열한 태양광 시장에서 살아남기 위한 경쟁보다는 고수익 성장 잠재력이 큰 고효율 플렉서블 박막형 태양전지 기술 개발이 필요하다.
시장 동향 및 예측
향후 일정기간 결정질 실리콘 태양전지가 시장에서 주류를 이루겠지만 박막형 태양전지의 시장 점유율은 점진적으로 높아질 것으로 기대된다. 2010년의 박막형 태양전지 시장 점유율은 전년과 비교하여 감소하였지만 이후에는 증설과 신규업체 진입 등으로 시장점유율은 증가세로 전환되었고, 박막형 태양전지 시장규모는 2010년 4,328.4 MW 37.6억 달러(추정)에서 2015년 14,151.6 MW의 생산량과 123 억 달러의 매출이 기대된다. 이는 전체 태양전지 시장에서 2010년 11.4%에서 2015년 17.1%수준으로 확대되는 전망에 따른 결과이다.
■ CIGS (Copper Indium Gallium Selenide)
CIGS 태양전지 업체들의 연구개발과 상용화의 노력으로 CIGS 태양전지 규모는 2007년 123.2MW의 생산용량과 23.5MW의 생산량에서 3년 뒤인 2010년에는 934.5MW의 생산용량과 368.6MW의 생산량을 나타내었다. 특히 2010년은 업체들의 양산화 증대와 생산 수율 향상으로 인해 가파른 생산량 증가를 보였으며, 2015년에는 총 5.64 GW의 생산용량과 3.71 GW의 생산량에 이를 것으로 전망된다.
■ CdTe (Cadmium Telluride)
2010년 전세계 CdTe 생산능력은 First Solar 1,502 MW, Abound Solar 68 MW, Primestar Solar 33 MW등 총 1,667 MW 규모였고, 2015년에는 First Solar 4,753 MW, Abound Solar 873 MW, Primestar Solar 483 MW등 총 6,661 MW로 급성장이 전망된다. 매출규모 기준으로 보면 2010년에 1,455 백만달러에서 2015년 4,260 백만달러로 증가할 전망이다.
■ DSSC (Dye-Sensitized Solar Cell)
DSSC는 국내외 기업에서 많은 개발이 진행되고 있으나, 완제품의 시장 판매는 아직 미미한 상황이다. 영국의 G24i에서는 유연기판을 사용한 휴대용 전원공급기를 생산하고 있으나, 실제 매출 규모는 파악되지 못하고 있다. 염료감응 태양전지 기술동향 및 시장전망에 따르면 2015년도에 260MW의 시장을 형성할 것으로 예상된다.
상대적으로 낮은 효율과 안정성 문제가 해결되고 나서, 본격적인 규모의 경제가 도달하기 전까지는, DSSC 관련 시장은 완제품보다는 개발용 원재료 위주로 유지될 가능성이 높아, 연구 개발을 위한 기초 소재 시장이 먼저 활성화 되고 있다.
박막형 태양전지 분야 중 CIGS 태양전지 분야는 2011년부터 Solar Frontier, Solibro, Miasole 등 주요 업체들의 증설과 Hyundai-Avancis의 시장 진입 등의 영향으로 높은 성장률을 보였다. CdTe 태양전지는 2010년까지 First Solar 1개 업체가 수요의 거의 대부분을 생산할 정도로 독주하고 있었으나, CdTe 태양전지의 사업성이 크게 부각되고, Cd의 유해성 문제가 어느 정도 해결되면서 최근 다른 업체들이 사업 진출을 발표하고 대규모의 생산능력을 갖추려 하고 있다. DSSC 태양전지는 일본에서는 Sharp, Sony, Toyota, Fujikura 등의 기업들이, 국내에서는 삼성 SDI, 동진세미켐, 이건창호, TG에너지, 상보 등에서 꾸준히 연구개발을 하고 있으나, 아직 시장에 대량 진출은 이루어지지 않고 있다. 대표적인 해외 기업으로는 스위스의 Solaronics 와 호주의 Dysol이 DSSC용 소재 전반을 공급하고 있다. 각 소재별로 특화된 기업으로는 대만의 Everlight Chemical에서는 염료를, 일본의 CCIC 에서는 이산화티타니아를 생산하고 있다. 국내에서는 이앤비 코리아가 이산화티타니아를 생산하고 있고, CSelsolar와 오영산업에서 염료를 생산하고 있다.
박막형 태양전지 기술유형별 특장점 비교
실리콘계, 화합물, 염료감응, 유기 등으로 구분되는 태양전지 분야 중 현재까지는 결정질 실리콘계가 주종을 이루고 있으며 향후 박막형 태양전지 기술의 부상을 기대할 수 있다. 그밖에 기타 3세대로 불리는 염료감응형, 유기, 하이브리드 분야는 개발 초기단계에 있다. 현재 부상하고 있는 박막형 태양전지 소재를 살펴보면 아래와 같다.
CIGS는 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ족 chalcopyrite계 화합물 반도체로서 직접천이형 에너지 밴드갭을 가지고 있고, 광흡수계수가 약 1×105cm-1로 반도체 중에서 가장 높은 편에 속하여, 두께 1~2㎛의 박막으로도 고효율의 태양전지 제조가 가능하다. CIGS 셀 및 모듈은 실외에서도 전기광학적으로 장기 안정성이 매우 우수하고, 복사선에 대한 저항력이 뛰어나서 우주선용 태양전지에도 적합하다.
CdTe는 일부 국가에서 사용이 금지된 카드뮴 등의 독성화합물을 원료로 쓰고 있어 환경 이슈에 취약하다는 단점이 있다. 그러나 화합적 반응이 끝난 카드뮴은 외부에 노출되더라도 유해성이 그리 높지 않다는 것이 전문가들의 지배적인 의견이다. 향후 CdTe 기반 태양전지는 고효율을 얻기 위한 다중접합구조(tandem) 개발이 필요하다.
DSSC의 개발은 고효율화, 고 내구성화, 저가화, 디자인성의 개선 등을 목표로 진행되고 있다. 이를 위해서 전극, 염료, 전해질, 봉지재 등 각 소재 별로 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
