▲ 정득영 박사
한국에너지지술평가원
신재생에너지팀 선임연구원
태양광발전은 반도체 또는 화합물 등으로 구성된 태양전지를 이용해 태양광으로부터 직접 전기를 생산하는 친환경 신재생에너지다. 태양광발전의 산업구조는 소재(폴리실리콘), 전지(잉곳·웨이퍼, 셀), 전력기기(모듈, 패널), 설치·서비스(시공, 관리)의 4단계로 구성돼 있다. 또한 태양광발전에서 가장 큰 비중을 차지하는 것은 태양전지로 이는 실리콘 결정, 박막 실리콘, 화합물계 및 유기계로 분류돼 있다.

태양광시장은 글로벌 경제위기 및 유가 하락으로 태양광발전시장이 위축됐으나 2010년 이후 에너지비용 상승 및 온실가스 감축 의무 등으로 2011년에는 발전량 기준으로 30.6GW, 1,210억달러 시장으로 전망되고 있다.

2009년 국가별 태양광 누적설비 기준으로는 독일이 8.7GW로 세계 1위이며 스페인 3.4GW, 일본 2.6GW, 미국 1.7GW 순이다. 2008년 국가별 생산량 기준으로는 중국이 2,589MW(32.7%)로 세계 1위, 독일 1,460MW(18.5%), 일본 1,269MW(16.0%), 대만 920MW(11.6%) 순이며 우리나라는 120MW(1.5%)를 생산해 세계 9위를 기록하고 있다.

국내 기술수준은 선진국 대비 80% 수준(단 결정질계 실리콘 태양전지 기준)으로 국내시장은 중국 등 해외제품에 선점당해 이를 극복하기 위한 정책이 시급한 상황이다.

국내 태양광관련업체는 부가가치가 낮은 설치·운영에 편중돼 있으나 대기업의 폴리실리콘 공장 증설과 수직계열화를 통한 사업 진출로 기술력 및 세계시장 점유율이 향상될 것으로 전망되고 있다.

한국은 2030년까지 신재생에너지 비중을 11%로 확대하고 태양광, 연료전지 등 신재생에너지를 미래 신성장동력으로 육성할 예정이다.

발전단가가 기존 화석연료 및 다른 신재생에너지인 풍력, 연료전지에 비해 높기 때문에 효율 향상을 통한 그리드 패리티(Grid Parity) 달성이 중요하다. 2008년 기준 태양광의 발전단가는 1kWh당 570원으로 원자력 39원, LNG 144원, 연료전지 168원, 풍력 170원보다 높아 경제성이 떨어져 이를 극복하기 위한 연구개발이 필요한 시점이다.

2007년에는 폴리실리콘 상위 5대 기업이 세계 물량의 90%를 차지하는 공급자 중심체제로 40~60%의 높은 영업이익을 보였으나 2008년 이후 중국, 한국, 일본 등 신규기업의 참여로 인해 수요자 중심으로 변모하고 있다.

결정형 태양광에서 재료비 가격 비중은 35%이나 박막형은 15%에 불과하며 태양광산업은 밸류체인의 영향을 많이 받는 상황이다.

태양광기술은 1세대에서 2, 3세대로의 변환이 함께 이뤄지는 이중기술변환(Double Technology Shift)이 예상되고 있다.

1세대는 현재 실용화된 결정질 실리콘 태양전지로 현재 90% 수준의 시장 점유율을 보이고 있으나 에너지와 노동의 다량투입이 필요해 생산단가 저감에 한계를 보이고 있고 에너지 변환효율도 18% 정도다.

2세대는 실리콘 소재의 투입 저감과 비실리콘(non-silicon) 소재로의 대체를 통한 ‘저비용화’가 큰 흐름이다. 박막 실리콘 태양전지, 박막 화합물 태양전지(CdTe: Cadmium Tellurid 등), 유기재료와 염료를 활용한 박막 유기계 태양전지가 2세대로 박막기술이 핵심이다.

2세대 박막기술 일부는 이미 대규모 태양광 설비에 활용돼 상업화(예: CdTe, CIGS 기술)되고 있다. 또한 박막 태양전지의 제조 공정이 반도체, LCD와 유사해 국내 업체의 기술 경쟁력이 강하다.

3세대는 저비용 유지 하에 고효율화를 추구하는 ‘저비용+고효율’ 전략을 지향하고 있다.

 

나노소재, 양자구조 등 신재료와 신구조를 활용한 태양전지와 기존의 2세대 박막기술에 ‘집광’, ‘다중접합’, ‘자외선에 의한 열 생성 활용’ 등으로 30~60%의 효율에 도달하려는 기술이며 차세대태양광기술의 흐름인 저비용화는 특히 태양광발전소 응용에, 고효율화는 건물통합형 태양광 모듈 응용에 기여하고자 한다.

현재 한국에너지기술평가원의 신재생에너지 산업융합원천기술개발사업 중에서 태양광분과 지원은 1989년부터 매년 증가하고 있으며 2000년부터 연구비지원이 서서히 증가하다가 2008년을 기점으로 급속히 증가하고 있다. 2007년은 IMF 여파로 국내 기업의 연구투자비의 감소로 전년대비 다소 감소하다가 최근 3년간의 지원규모가 급속히 증가하고 있다.

연구개발기관별 지원규모의 비중은학·연·산 모두 비슷한 규모로 지원됐으나 2004년을 기점으로 기업(중소기업 및 대기업) 중심으로 지원되고 있으며 최근 3년간 지원 규모를 보면 전체 지원 규모의 87.32%를 차지한다.

태양전지별 지원현황을 보면 결정질 실리콘분야는 2009년을 기점으로 지원금이 감소하고 있으며 실리콘박막·CIGS·염료감응·유기박막은 2007년을 기점으로 지원금이 증가하고 있다.

실리콘계열(결정질 및 박막)은 원천~실증 전분야에 걸쳐서 지원되고 있는 반면 화합물(CIGS), 염료감응은 원천~전략응용에 지원하면서 전략응용의 지원 규모를 확대하고 있다.(단 유기박막은 현재 원천에 집중적으로 지원 중이다.)

연구개발을 진행하고 있는 기업은 태양광분야의 연구개발 초기인 1989년부터 2004년까지는 출연연을 중심으로 연구비 지원이 집중됐지만 태양광산업에 대한 기대가 커지는 시점인 2005년(독일의 FIT제도 도입으로 전세계 태양광산업을 선도하는 시점)부터 기업(중소 및 대기업)을 중심으로 연구비 지원이 증가하고 있다. 최근 3년간의 지원금액은 대부분 기업 중심으로 지원되고 있으며 지원비율 전체의 81%를 점유하고 있다.

지금까지 살펴본 바에 따르면 미국, 일본을 비롯한 전세계 국가들은 최근 어려운 경제위기 상황 속에서도 그린에너지 기술 확보는 물론 저탄소 녹색성장의 주도권을 잡기위한 치열한 녹색 경쟁(Green race)과 향후 태양광산업을 선도하기 위해 신재생에너지의 연구개발 사업비의 비중을 높이고 있는 상태다.

이에 우리 정부도 2008년 8월 저탄소 녹색성장을 신국가발전의 패러다임으로 제시해 국력을 집중하고 있으며 9월에는 ‘그린에너지산업 성장동력화 및 수출산업화 전략’을 수립했다.

한국에너지기술평가원이 종합적인 R&D Action Plan을 마련한 ‘그린에너지 전략로드맵’(기존의 2030 전략로드맵 포함) 및 산·학·연에서 제시한 수요조사 등을 바탕으로 연구개발 과제를 기획, 지원하고 있다.

에너지기술평가원은 기존 실리콘계 태양전지는 초고효율-저가화하기 위한 공정 및 장비 개발 관련 과제를 기획하고 박막 태양전지는 현재 효율 및 양산 수율의 안정화를 위해 노력하고 있다.

또한 공정 및 제조 방비의 표준화 및 염료감응-유기박막 태양전지는 변환효율을 향상시키기 위한 소재 개발 및 신구조 개발 등을 위한 과제를 기획, 지원하고 있다.

저작권자 © 투데이에너지 무단전재 및 재배포 금지