태양전지 제조비용 및 경제성에 대한 평가
태양전지 시장은 ‘08~‘09년의 세계불황을 겪고 나서 20% 이상의 견고한 성장을 보여주고 있으나 시장의 장기적 생존력에 대한 염려는 계속되고 있다. 특히 태양에너지에 대한 정부의 엄청난 연구 자금을 고려해 볼 때 태양전지 비용은 다른 형태의 에너지보다 아직까지 상당히 높은 수준이다. 따라서 제조업체들은 태양전지 제조비용을 최소화할 수 있는 방향을 모색해야 한다. 특히 대부분의 제조업체들은 머지않은 미래에 재생가능 에너지와 화석연료 에너지의 단가가 같아지는 그리드 패러티(Grid Parity)를 만족시키기 위해 생산비용을 와트당 1달러 이하 수준으로 낮추는데 집중하고 있다. 이를 위해 태양전지 제조공정의 개별 단계에 대한 조사와 가능한 단계에서 비용을 최소화하려는 노력을 기울이고 있다.
Techcet Group은 태양전지의 제조공정 단계별 비용 요인을 이해하고 비용 및 비용 절감에 관련된 가장 큰 탄력성을 지닌 분야를 확인하기 위하여 조사를 시작하였다. 이번 조사에서 관심이 되는 주된 분야는 웨이퍼링(Wafering) 및 웨이퍼의 표면에 금속을 일정하게 증착시키는 금속피복(Metallization) 공정이다. 이들 공정 이외에도 생산 자동화를 통해 비용을 저감시킬 수 있다는 보편적인 인식이 있었다. 웨이퍼링 및 공급 과정에 대한 세부적인 내용은 Techcet의 “2010 Solar Cell Manufacturing Costs Report”에서 확인할 수 있다.
폴리실리콘은 실리콘 웨이퍼 제조에 있어 중요한 원료이다. 이 물질은 PV 전지 전체 제조과정 중 가장 큰 비용 요인으로 알려졌으며 태양전지 가격의 30% 이상을 차지하고 있다. 또한 웨이퍼 제조에 필요한 총비용은 태양전지 가격의 60%를 넘는 것으로 나타났다. 태양전지 제조 공정에 있어 다양한 비용 차이는 공정이나 재료의 변화에 의해 발생할 수 있다. 재료비용은 계약 가격(Contract Pricing)이나 시작 물질(Starting Material)로 사용되는 실리콘의 종류에 따라 다양하다. 태양전지에 사용되는 실리콘 원료는 보통 순도가 99.9999%이다. 그러나 이보다 높은 불순물을 지닌 실리콘이 때때로 전지의 성능을 개선시키기 위해 사용된다. 낮은 등급의 실리콘을 사용하는 것은 생산비용을 낮출 수 있으나 전기적 출력과 그 결과로 발생하는 전체적인 비용을 고려하면 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
보고서에 따르면, 원료비용은 와트피크(Wattpeak, Wp)당 0.3~0.4달러로 다양한 것으로 나타났다. 가장 낮은 가격은 대량 제조업체가 고정 비용 계약을 맺고 있는 경우이다. 이 분야에 새롭게 진출하는 업체나 소규모 생산업체는 폴리실리콘 현물가격(Spot Price) 변동의 영향을 받아 비용이 매우 높아질 수 있다. 장기계약의 경우 비용은 Kg당 약 70달러선이다. 이러한 고정 비용 계약은 장단점을 가지고 있다. 대부분의 대량 공급업체에 있어 평균 계약비용은 Kg당 70달러 이하로 추정되며 이 가격은 가격 상승에 대한 일종의 안전제도이다. 그러나 시장가격이 떨어졌을 때 태양전지의 가격은 장기 고정계약을 맺은 대량 전지 제조업체들을 위해 높은 선에서 유지될 수 있으며 가격이 싼 재료를 사용하는 소규모 태양전지 제조사는 이로부터 이득을 볼 수 있다.
‘06~‘07년에 웨이퍼에 대한 높은 수요로 인하여 많은 폴리실리콘 생산 공장 건설 및 확장의 움직임이 있었다. 폴리실리콘의 가용성(Polysilicon Availability) 평가결과에 따르면 이로 인해 다음 몇 년 동안 공급과잉이 될 전망이다. 그러나 Techcet의 조사결과에 따르면 태양전지 및 반도체 제조업체에 있어 폴리실리콘과 웨이퍼의 가용성은 여유가 없는 상황이다. 이는 태양전지 산업의 높은 수요뿐만 아니라 반도체 장치 제조의 급격한 증가 때문인 것으로 보인다. GTB

투명도전막 불필요-색소증감 태양전지 개발
新日鐵化學(東京都 千代田區, 사장 二村文友)는 투명도전막이 필요치 않은 유연성 있는 색소증감 태양전지를 개발했다. 투명도전막에 비해 저항치가 낮은 금속박을 전극에 사용했다. 빛이 닿는 쪽부터 수지필름, 티타니아와 색소를 혼합한 작용극, 금속박, 전해액, 전극, 수지필름을 겹친 구조. 집전배선은 필요치 않다. 유연성이 있으며 동시에 배선을 없앰으로써 이 회사에서는 디자인의 자유도가 높아질 것으로 보고 있다.
앞으로 전시회 등에서 소개하여 사용자 기업과의 용도개척을 추진한다. 현재는 연구실 내에서 생산하고 있는데, 1년 후에 샘플 공급체제의 정비, 2년 후에 제품화를 목표로 하고 있다. 현재, 사방 10센티미터의 셀을 시작했다.
종래의 색소증감 태양전지는 투명도전막을 증착한 유리판에서 색소와 전해액을 끼워 넣는 구조. 고온 프로세스로 생산하므로 플렉시블화가 어려웠다. 또 투명도전막의 저항치가 높이 때문에 집전배선이 필요하여 표면에 배선의 모양이 보여 디자인이 제한되어 있었다. 일간공업
수면 위에 설치할 수 있는 태양전지
오늘날 시장에 통용되는 대부분의 태양에너지 발전시스템들은 두 가지 중요한 약점을 극복해야 한다; 대부분의 태양발전시스템들은 설치를 위해 광대한 부지를 필요로 한다, 그리고 태양전지 제작 및 설치, 그리고 유지보수와 관련한 비용이 매우 높으므로 이를 극복해야만 한다. 새로운 기술이 이러한 약점을 극복할 것이라고 생각된다. 물론 이러한 약점 뿐만 아니라 긍정적인 강점이 너무나도 많다: 그것은 바로 물에 떠다니는 태양광발전소이다.
프랑스-이스라엘 파트너십에 의해 개발된 혁신적인 태양광발전소 기술은 에너지 생산에 대한 새로운 패러다임(paradigm)을 선보이게 하였다. 태양광발전소는 온실가스 감축을 위한 전세계적인 노력을 기울이는 데 중요한 역할을 할 것이다. 그리고 이는 청정에너지로 고려되어질 것이며, 전력생산을 위한 효율적인 에너지원이라 할 수 있다. 아직 몇몇 장애물들이 태양에너지 분야의 확대를 방해하고 있다. 그리고 수많은 관련자들이 태양에너지 시장을 위한 새로운 접근방식을 추구하고 있다.

◇윈-윈(win-win) 할 수 있는 상황
2010년 3월 말, 이러한 설계단계가 끝마친 직후, 원형제작이 시작되었으며, 프로젝트 팀은 2011년 9월에 실행단계에 들어갈 목적으로 열심히 노력하고 있다. 테스트는 프랑스 남서부 카다라쉬(Cadarache)에서 실시될 예정이다. 이 지역은 프랑스 전력망의 지배적인 위치를 차지하고 있는 곳이며, 태양광발전시스템 설치를 위해 사용되는 수면을 제공해줄 수 있는 지역 수력발전설비 인근에 위치한 곳이다. 계절변화와 다양한 수면변화에 따라 태양광발전시스템의 성능과 생산성이 어떻게 변화하는지를 평가하는 9개월 동안 이곳에서 거의 모든 테스트가 진행될 것이다. 연구진들은 2012년 1월, 그들이 이 기술의 시장 도입에 필요한 모든 정보를 가질 수 있을 것이라고 확신하고 있다.
심지어 선도 태양광발전 기업들도 태양광발전소를 설치할 수 있는 부지를 찾기 위해 분투중이기 때문에 이 프로젝트 팀은 수면 위에 태양광발전설비를 설치할 수 있는 방법을 밝혀내기 위해 노력하고 있다. 즉, 그 동안 한번도 시도되지 않은 것을 프로젝트 팀은 시도하고자 한다. 태양광발전소가 건설되어질 수 있는 저수지가 자연적인 저수지는 아니다; 오히려 그것들(저수지)은 다른 목적으로 사용되기 위해 만들어진 산업적 목적의 인공저수지라고 할 수 있다. 하지만, 이는 새로운 태양광발전소가 자연경과에 부정적인 영향을 미친다는 것을 의미하는 것은 아니다. 이와 관련하여 Kassel 박사는 다음과 같이 말하였다.
“이는 윈-윈(win-win) 할 수 있는 상황이다. 왜냐하면, 에너지 생산을 위해 공개되어 있는 에너지용, 산업용, 또는 농업용 사용을 목적으로 한 수많은 저수지가 존재하기 때문이다. 그럼에도 불구하고 사용하지 않고 그대로 방치해둔 저수지가 많기 때문에 이러한 저수지를 활용하는 것은 환경적으로 경제적으로도 효율적인 일이다.”
공간, 즉 태양광발전소를 설치할 수 있는 부지에 대한 문제점을 해결한 이후, 프로젝트 팀은 비용의 문제에 직면하였다. Kassel 박사는 이를 다음과 같이 설명하였다. “전기를 생산하기 위해 태양에너지와 물을 결합한다는 것은 정말 꿈 같은 이야기처럼 들린다. 하지만, 우리는 장기적인 관점에서 재정적인 논리. 즉 비용과 수익 구조를 증명해야만 한다. 물론 현재 우리 연구팀은 이러한 문제를 해결하고 있다.” 개발업체들은 두 개의 수단으로 인해 수면 위에 설치될 태양광발전기술 실행과 연계된 비용을 감소시킬 수 있다. 먼저, 그들은 태양광 모듈을 기반으로 한 집광형 태양광발전시스템으로 인해 사용되어져야만 하는 태양전지의 양을 감소시켰다. 하지만, 그들은 에너지 생산량은 그대로 유지하고 있다.

◇모듈 제작
두 번째, 프로젝트 팀은 태양전지판, 즉 태양광모듈이 떠있을 물을 사용하여 창조적인 냉각시스템을 사용할 수 있었다. 이러한 효율적인 냉각시스템으로 인해 태양광발전시스템은 결정질 태양전지를 사용할 수 있게 되었다. 즉, 과열이라는 문제점을 가지고 있는 그로 인해 이 태양전지를 사용하기 위해서 효율적인 냉각시스템이 필요한 값싼 태양전지 사용이 가능하게 되었다. 물론 이 전지를 육상에 사용하기 위해서는 효율적인 냉각시스템이 있어야 하므로 그 비용은 엄청나게 증가할 수 있다. 하지만, 수면에서는 그러한 문제점을 해결할 수 있기 때문에 냉각시스템에 들어가는 비용을 줄일 수 있고 저렴한 태양전지를 사용하기 때문에 전체 설치비용도 감소시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 형태의 특별한 태양전지는 표준모델에 비해 높은 효율성을 가지고 있으며, 그로 인해 신뢰성과 비용절감이라는 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 있게 되었다.
이러한 태양에너지 기술을 효율적으로 사용하기 위해서 그리고 시장에 성공적으로 진출하기 위해서 이러한 태양광발전시스템은 요구되어지는 전력생산비율에 맞는 그 동안 증명되어진 수많은 모듈로 조립이 가능한 태양에너지 플랫폼에 따라 설계되어져야만 한다. 각각의 모듈은 표준전력인 200kW의 전력을 생산할 수 있어야 하며, 더 많은 전력을 생산하기 위해서는 발전소에 더 많은 모듈을 설치함으로써 달성할 수 있어야 한다. 그 만큼 기존의 모듈과 현 기술 간의 호환성이 좋아야 한다.
프로젝트 팀은 이 기술의 환경적인 영향에 대해서도 연구를 하여왔다. 산소가 물을 통과할 수 있다는 특성으로 인해 수면이 숨을 쉬고 있다는 사실을 인지하여야 한다. 즉, 이러한 특성(산소가 물을 통과할 수 있는 특성)은 충분한 산소가 물 밑 동식물의 생명유지를 가능하게 해줄 것이라는 것을 확실시 해준다. 이와 관련하여 Kassel 박사는 다음과 같이 끝맺음을 하고 있다.
“실행 단계의 목적 중 하나는 이러한 신기술이 환경에 미치는 가능한 모든 영향정도를 충분히 검토하는 것이다. 사전검토는 수질, 수중 식물군 또는 식물상에 어떠한 유해한 환경적 영향을 미치지 않는다는 사실을 발견하였다. 우리들이 사용하는 물질 및 자재의 선택은 항상 이러한 문제를 고려하여 이루어진 것이기 때문에 환경적 악영향은 존재하지 않거나 최소화될 것이다.” 이처럼 수면 위에 설치가 가능한 태양에너지 기술의 개발과 상용화는 향후 재생에너지 및 태양에너지 산업에 긍정적인 영향을 미칠 것이며, 사회적으로도 좋은 반향을 일으킬 수 있는 좋은 연구결과이다. GTB

중국, ‘폴리실리콘 업계 진입 기준안’ 발표
최근 몇 년간 중국에서 신에너지 지원 정책에 힘입어 폴리실리콘 생산을 크게 늘어났으며 중국은 세계 최대 생산국으로 도약했다. 이와 함께 중국 내에서 폴리실리콘 과잉생산 논란이 불거지고 있는 가운데 중국 공업정보화부와 국가발전개혁위원회, 환경보호부 등은 ‘폴리실리콘업계 진업 기준안’(이하 ‘기준안’)을 2011년 1월 24일 베이징에서 발표해 업계의 주목을 받고 있다.
‘기준안’은 정부 투자사업 허가 리스트가 출시하기 전에는 새로운 폴리실리콘 사업을 원칙적으로 허가를 하지 않지만 기술혁신 강화 및 에너지 절약과 환경 보호 등에 꼭 필요한 사업에 대하여서는 국무원의 별도의 심사 비준을 받아 추진할 수 있다고 지적했다.
‘기준안’은 중국 국무원이 2009년 9월에 발표한 ‘부부적인 과잉산업과 중복건설 산업들의 발전을 위한 몇 가지 의견’(이하 ‘의견’)에 이어 정부가 폴리실리콘업계의 과잉생산을 막기 위한 두 번째 조치가 된다.
바이훙챵(白洪江) 중국 실리콘소재정보연구센터의 부비서장은 “일년 후에 출시된 ‘기준안’은 폴리실리콘산업의 안정적인 발전에 대한 정부의 태도가 반영 되었다”며 “기준에 적합한 기업들의 폴리실리콘업계의 진입을 허용은 폴리실리콘업계의 가격 경쟁보다 품질 향상을 유도하겠다는 뜻이 담겨져 있다”고 밝혔다.
중국 국무원이 2009년 9월에 발표한 ‘의견’에는 폴리실리콘, 평판유리, 철강, 시멘트 등을 포함한 6대 업계가 포함되었으며 각 지방정부에 산업정책을 지침으로 환경 감독 관리, 용지 관리, 금융정책과 투자 관리 분야에서 규정을 엄격히 집행할 것을 요구했을 뿐만 아니라 부분적인 과잉 산업과 중복건설 산업의 확장을 중점적으로 차단할 것을 주문했다.
그러나 이번에 발표된 ‘기준안’은 비록 2009년에 발표된 ‘의견’에서의 제한 조건과 차이가 나지 않아 1년 넘게 발전해 온 기업들에게는 상대적으로 쉽게 받아 들일 수 있는 조건이라는 게 전문가들이 판단이다. 이번 ‘기준안’에서도 2009년에 발표된 ‘의견’과 마찬가지로 새로 건설되는 폴리실리콘 사업에서 용지 면적은 ‘톤 당 6헥타르 이내가 되어야 하며 배기 가수 중 사염화규소(silicon tetrachloride), 염화수소, 수소의 회수 이용율이 각가 98.5%, 99%, 99% 보다 높아야 한다는 기준이 그대로 적용되었다.
에너지 절약 분야에서는 이번 ‘기준안’이 2009년의 ‘의견’ 보다 더 느슨해 진 것으로 나타났다. 이번 ‘기준안’에서는 태양에너지급 폴리실리콘 환원 전력 소모는 1Kg당 80Kwh보다 적고 2011년 말 전까지 1Kg당 60Kwh보다 적어야 한다는 조건이 제시되었지만 2009년의 ‘의견’에서는 태양에너지급 폴리실리콘 환원 전력 소모량이 60Kwh보다 적어야 한다는 조건이 제시되었다.
바이훙챵(白洪江) 부비서장은 “이번에 발표된 ‘기준안’은 2009년에 발표된 ‘의견’의 후속 조치로 중국 폴리실리콘업계의 업그레이드를 실현하고 실력의 있는 기업들의 폴리실리콘 업계의 진입을 독려하여 중국의 폴리실리콘 산업을 재정비하는데 초첨이 맞춰져 있다”고 분석했다. GTB
태양전지를 향한 새로운 발걸음
UC 데이비스(UC Davis)와 UC 산타크루즈(Santa Cruz)의 연구진은 고효율 태양전지를 만들 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 기술은 기존의 한계를 넘을 수 있는 새로운 시도이다. 연구진은 실리콘, 게르마늄 등의 나노입자를 활용해서 기존의 태양전지보다 더 효율적인 새로운 태양전지를 만드는데 성공했다.
기존의 태양전지는 한 개의 광자가 들어와서 한 개의 전자가 나가는 원리로 작동된다고 UC 데이비스의 교수인 gergely Zimanyi가 말했다. 다르게 설명하면, 한 개의 광 입자 또는 광자가 태양전지를 때리면 한 개의 전자가 전류를 만들기 위해서 생성된다. 이 원리를 따르면 태양전지의 작동 효율의 이론적 최대치는 31%이다. 그러나 지극히 작은 나노입자로 태양전지를 구성하면 각 광자에서 몇 개의 전자를 발생시킬 수 있는데, 이로 인해서 42%와 65% 사이의 최대 효율을 가질 수 있게 된다.

그림. 태양전지 속에 존재하는 나노입자의 투과전자현미경 사진

한 개의 인입 광자/다중 전자 발생의 패러다임은 로스 알라모스 국립 연구소(Los Alamos National Laboratory) 연구진에 의해서 이미 증명되었지만 이 연구진은 이런 패러다임을 기반으로 한 기능성 태양전지를 만들지 못했다. 이번 연구진은 게르마늄 및 실리콘 나노입자로 최적화된 기능성 태양전지를 만들 수 있었다.
연구진은 진틀상(Zintl phase) 반응을 이용해서 실리콘 및 게르마늄 나노입자를 중합했다. 실리콘 나노입자는 열처리로 거의 100%까지 결정율(crystalline fraction)을 가지게 되었다. 나노입자의 표면을 안정화시키기 위해서 산화물 코팅, 실란 처리를 했다. 이번 연구진은 나노입자의 특성을 평가하기 위해서 X-선 분말 회절, TEM, EPR, 광발광 분광법(photoluminescent spectroscopy)을 활용했다.
이번 연구결과는 재료과학, 화학, 수학 등의 여러 분야의 학제들이 조화롭게 어울려서 만들어졌다. 예를 들면, Zimanyi, Galli, Bai는 이론 및 컴퓨터 모델링 연구를 수행했고 Paul은 통계적 처리를 진행했다. Kauzlarich의 연구실은 새로운 나노입자를 중합했고, Larsen의 연구진은 이런 나노입자의 특성을 평가하였으며 UCSC의 Carter 연구실은 작동 장치를 개발했다. 프로토타입 전지는 이미 만들어졌고 약 8%의 효율을 나타내었는데, 이것은 한정된 자원으로 만들어낸 매우 고무적인 결과라고 연구진은 설명했다.
이 프로젝트는 국립과학재단(National Science Foundation)에 의해서 3년에 걸쳐서 1.5백만 달러가 지원되었다. GTB

태양 판넬 - 기판의 접합재
전기를 운반하는 효율 100배
타무라製作所는 태양광 판넬과 전기를 모으는 기판을 연결하는 새로운 접합재료를 개발했다. 판넬에서 발전한 전기를 기판에 전달하는 역할을 담당하는 재료로, 합금 주위를 수지가 단단하게 만드는 구조를 채용. 전기가 흐르는 양이 종래 제품에 비해 최대 100배로 높아진다고 한다. 전기를 전달하기 위한 금속으로 은을 사용하지 않기 때문에 재료비도 낮출 수 있다.
개발한 것은 주석과 비스마스 합금과 독자 개발한 수지를 섞은 페이스트 상태의 접합재료. 비가열 상태라면 합금과 수지는 뒤섞인 상태이지만, 기판에 도포하여 열을 가하면 합금의 입자가 모여서 굳어지고, 그 주위를 수지가 뒤덮은 구조.
태양전지의 경우는 판넬이 발전한 전기는 합금을 타고 기판에 모여든다. 새 재료는 합금끼리가 굳어져서 기둥 같은 모양이 되기 때문에 전기자 잘 통하지 않는 상태를 나타내는 저항치가 종래의 100마이크로 옴에서 1마이크로 옴으로 저하하여 결과적으로 전기가 흐르는 양이 최대 100배가 된다고 한다. 종래 제품은 입자끼리 결합하지 않기 때문에 전기가 기판으로 전달되기 어려웠다.
지금까지 사용했던 은 대신에 주석과 비스마스를 사용함으로써 종래 제품에 비해 가격을 20~30% 낮출 수 있다고 한다.
태양광 판넬은 10~20년 동안 사용할 수 있으며, 비바람 등으로 도포한 접합재료가 열화하는 일도 많다. 신기술의 접합재료는 수지가 합금을 습기나 열로부터 보호하므로 종래 제품에 비해 수명은 2배 이상이 될 전망. 일반적인 태양전지의 변환효율은 수십%이지만, 앞으로는 더욱 높아질 전망. 접합재료 자체는 변환효율에 영향을 받지 않지만 보다 많은 전기를 모을 수 있게 되면 전지 성능의 향상에 도움이 될 것으로 보고 있다. 일경산업