2012년 글로벌 태양에너지 시장 전망
시장조사 전문업체인 TrendForce의 EnergyTrend에 따르면 2012년은 전세계 태양산업계에 있어 아주 어려운 문제에 직면하는 시기이며, 이를 견디지 못하는 업체들은 퇴출되는 한 해가 될 것으로 예상되었다. 그리고 태양발전 관련 정책들은 설비도입의 볼륨 조절 및 보조금 감소에 집중할 것이며, 신규 시장을 위한 정책들은 이미 준비가 되어왔으나 효과가 나타나기까지는 시간이 걸릴 것으로 예측되었다. 다른 한편으로 웨이퍼(Wafer)에서 모듈(Module)에 이르는 현물 가격은 낮은 상태를 유지하고, 위기에 처한 대부분의 제조업체들은 낮은 마진율을 경험하게 될 것으로 보인다.

EnergyTrend의 추정을 기반으로 2011년 전세계 태양발전 설비용량은 19 GW에 도달할 것으로 예상된다. 그러나 반제품 및 완성품을 포함한 전체 설비 재고량은 최대 10 GW에 달한다. 따라서 태양발전 시장은 아직도 심각한 공급과잉을 겪고 있다고 말할 수 있다. EnergyTrend는 태양발전 시장의 수요가 2012년쯤에 대략 19 GW에 도달할 것으로 예상하였다. 이러한 성장 없는 수요는 유럽의 보조금 정책 변경으로 인한 이탈리아, 독일, 영국에서의 수요 감소 때문이다.
2012년 아시아 시장은 보조금 정책에 힘입어 중국, 일본, 말레시아, 태국의 수요가 약간 증가하는 모습을 보여줄 것으로 보인다. EnergyTrend는 2013년까지 태양발전 산업에 빠른 성장은 없을 것이라 예측하였다. 북미 및 인도에 태양발전 시장이 형성되고 있다는 홍보에도 불구하고 전망은 아직 불확실하다. 북미 시장은 현금지원(Cash Grant) 프로그램이 2011년 말에 종료되며, 2012년부터는 새로운 연방세금공제(Federal Tax Credits)가 이를 보완할 예정이다. 그러나 EnergyTrend는 새로운 연방세금공제 제도가 시장에 가져올 수 있는 성장 모멘텀(Growth Momentum)은 극히 작을 것이며, 2012년 미국 시장의 불확실성을 더할 것이라고 예상하였다. 그리고 인도의 태양발전 시장은 태양광 에너지 사업계획(National Solar Mission)이 수요를 끌어올리는 역할을 할 것으로 보이지만 국산부품 사용요건(Local Content Requirement)의 시행과 함께 인도 정부의 효율 및 재무 건전성이 태양산업의 밝은 전망에 영향을 줄 수도 있는 것으로 내다보았다.
또한 중간 제품의 가격이 심각한 하락 현상을 겪고 있어 관련 제조업체들에게 엄청난 불이익을 주고 있다. 에너지균등화 비용(Levelized Cost Of Energy, LCOE) 분석에 따르면 태양발전 시스템의 비용은 모듈 가격, BoS(Balance of System) 가격, 시스템 가동 성능에 영향을 받는다. EnergyTrend는 모듈 비용에 대해 비록 가격 하락 추세가 당분간 지속될 것으로 예상하였지만 폴리실리콘(Polysilicon)의 용량 증가로 모듈 가격은 바람직한 수준으로 되돌아갈 것으로 믿고 있다.
인버터나 EPC와 같은 제품가격은 현재 시장 상태를 반영하는 모듈 가격과 비교할 때 비교적 안정한 상태로 남아 있다. 따라서 미래의 가격 변동은 주로 BoS 가격에 좌우될 것으로 보인다. 그리고 가격 조절과 상관없이 시스템의 효율 증대는 제조업체들에게 또 다른 압박이 되고 있으며, 고효율 제품에 대한 수요 증가의 결과를 낳을 것이다. EnergyTrend는 미래 태양발전 시장에 대해 N-type MONO 및 MONO와 같은 제품, 기술들이 중요한 역할을 하게 될 것이라 주장하였다.
EnergyTrend에 따르면 2012년은 가격 변동, 시장 유동성, 기술 등의 영향으로 인해 태양산업의 선두주자들이 그들의 위치를 확고히 하는 해가 될 것으로 예상된다. 이것은 경제성이나 기술 경쟁에서 도태되는 제조업체들은 합병되거나 사업을 접어야 한다는 의미이다. 이러한 치열한 경쟁 속에서 살아남은 기업만이 태양발전 산업의 재도약에 따른 혜택을 누릴 수 있을 것이다. GTB

유기박막 태양전지 실용화 모표, 양산체제 정비
三菱化學, 변환효율 10%대 실현
東大는 경계면의 구조ㆍ성능에 주목
가볍고, 구부러지며 싸게 만들 수 있는 차세대 태양전지로서 유기박막 태양전지의 실용화에 대한 기대가 높아지고 있다. 전 세계 연구팀이 기술개발에 격전을 벌이고 있는 가운데, 변환효율 경쟁에서 존재감을 더하는 三菱化學이 실용화에 목표를 두고, 양산체제의 정비를 서두른다. 한편, 새로운 타입의 태양전지는 과학적으로 해명되지 않은 부분이 많아 대학에 의한 기초연구도 빼놓을 수 없다. 최근 東京大學의 橋本和仁 교수의 연구팀이 변환효율의 향상으로 이어질 발견을 했다.
고분자의 유기재료를 사용한 유기박막 태양전지는 잉크처럼 발라서 만들 수 있다. 싸고 간단하게 양산할 수 있는 태양전지로 기대되고 있는데, 변환효율이 현재 주류인 실리콘형과 비교하여 떨어진다는 것이 실용화의 벽. 그러나 세계적으로 개발경쟁이 격화되어 10년 전에는 몇 %에 지나지 않았던 시작 셀의 변환효율이 차례로 갱신되고 있다. 최고치의 갱신은 구미의 기업과 대학이 중심이었으나 최근 三菱化學이 기염을 토하고 있다. 작년에는 7.4%, 올 봄에는 9.2%를 달성. 지난 6월에는 10.1%로 대망의 10% 이상의 실현. 현재 공개된 값 중에서 최고이다.
三菱化學이 실험설비를 도입하고 본격적인 개발에 착수한 것은 2년 반 전으로 최근의 일. 후발이라는 핸디캡을 문제 삼지 않는 기세는 해외에서도 주목을 받아 9.2% 달성의 성과는 미국 과학잡지 사이언스에도 실렸다. 개발을 견인하는 星島時太郞 집행이사 . OPV 사업추진실 실장은 「반도체, 분석, 가공기술 등 그룹의 모든 분야의 인재를 갖추고 있다」고 종합력을 살린 개발체제가 주효하고 있다고 말한다.
유기박막 태양전지는 제조과정에서 유기재료를 몇 ℃에서 어느 시간 정도 열을 가하는가가 성능을 좌우한다. 열처리는 절묘한 조정이 필요하며 채용하는 유기재료에 따라서도 조건이 달라진다. 10%를 넘긴 시작 셀의 유기재료는 밝히지 않았지만, 星島실장은 「(양산을 위한)재료, 온도, 분위기는 정해졌다. 나머지는 스케일을 향상시키는 일뿐」이라고 말한다. 또한 「양산에는 몇 백 나노미터의 균일한 막을 발라 만드는 기술의 확립이 과제가 된다」고 말하고 있는데, 올해 안에 연 생산 1메가와트의 실험공장을 착공한다. 가볍고 구부릴 수 있다고 하는 특징도 살려서 건재 메이커 등에 2013년 초반에 출하할 예정이다.
실은 유기박막 태양전지는 분자 레벨에서 무슨 일이 일어나고 있는지 거의 알지 못하는 상태이다. 대학이 강점으로 삼고 있는 기초로 돌아간 연구도 중요하다. 橋本 東大 교수의 연구팀이 주목하는 것이 유기재료의 “경계면”이다. 요인이 되는 광전변환 재료는 다른 종류의 유기재료로 되어 있고, 그 경계면의 상태가 전지 성능을 좌우한다. 그러나 경계면은 물질의 내부에 있기 때문에 직접 관찰하기가 어렵다. 경계면의 구조를 분자 레벨에서 인위적으로 만지면 성능을 올릴 수 있을지도 모른다는 기대도 있지만 그것도 어려웠다.
연구팀의 但馬敬介 강사는 경계면에 프라이팬 등의 발수가공에서 사용되는 불소화합물을 배열하는 데 성공. 또한 배열방식에 따라서 전지의 전압이 상하한다는 것을 발견했다. 변환효율의 향상에는 이르지 못했지만 경계면의 구조와 성능을 관련짓는데 성공한 최초의 성과로 관계자 사이에서 주목되고 있다. 但馬강사는 「유기박막 태양전지의 변환효율을 어디까지 올릴 수 있는가를 끝까지 파고들어 생각할 때에 이러한 기초적인 견식이 중요하다」고 말한다. 양산화와 기초연구를 둘러싼 차세대 태양전지의 동향에 얼마간은 눈을 뗄 수 없을 것 같다. 일간공업

금 나노클러스터-다중층 그래핀을 적용한 고분자 태양 전지
고분자 태양 전지(PSCs; Polymer Solar Cells)는 유기 물질의 기계적, 화학적 유연성을 바탕으로 대면적 응용을 위한 저비용 공정이 가능하기 때문에 많은 관심을 받고 있다. 현재 PSCs 분야에 있어 투명하면서 전도체의 특성을 지닌 투명 전극이 가장 중요한 이슈가 되고 있다. 현재 ITO(Indium Tin Oxide)가 널리 활용되고 있지만, 가격이 비싸고 화학적으로 불안정하다. 또한 화학적으로 불안정하고, 기계적인 측면에서 깨지기 쉽기 때문에 유기 물질의 근본적인 특성과 조화를 이룰 수 없다.
중국 The University of Hong Kong 및 Tsinghua University 소속 공동 연구진은 금 나노클러스터가 포함된 다중층 그래핀을 이용해 고분자 태양 전지를 제작했다. 연구 결과는 2011년 11월 30일자 Appl. Phys. Lett.지에 “Polymer solar cells with gold nanoclusters decorated multi-layer graphene as transparent electrode”란 제목으로 게재됐다.
그래핀은 투명 전도체로써 유기 태양 전지 분야에서도 가능성이 높은 물질이다. 하지만 활성층으로 활용되는 PEDOT:PSS는 그래핀 위에 균일하고 코팅되기 어렵다[GTB2011120033]. 이를 극복하기 위해 UV 처리를 진행하고 표면 특성을 제어하는 노력이 진행되고 있지만, 동시에 급격한 시리즈 저항의 증가를 피할 수 없다. 따라서 그래핀 표면을 비공유결합 기반의 기능화를 통한 PEDOT:PSS와의 표면 호환, 소수성의 PEDOT 합성, 또는 추가로 한층을 삽입하여 해결이 가능하다.
연구진은 먼저 화학기상증착법을 통해 다중층 그래핀을 합성하고, 면저항과 투과도를 측정한 결과 각각 1.2-2.2 kohm/sq. 및 75-82%로 나타났다. 사전 UV 처리를 진행하고, 2 nm 두께의 금 나노클러스터 박막을 증착 및 UV 처리를 다시 진행했다. 금 나노클러스터는 효율적인 정공 수집 뿐 아니라 균일한 PEDOT:PSS 증착 문제를 피해갈 수 있다. 이 후 P3HT:PCBM/LiF/Al을 차례로 형성하여 유기 태양 전지를 완성했다.
그림 1은 AM1.5 수준의 100 mW/cm2의 빛이 조사될 때, 제작된 고분자 태양 전지의 전류밀도-전압 특성을 보여준다. 단순히 다중층 그래핀으로 구성된 소자는 태양광 효과가 없었으며, PEDOT:PSS를 첨가한 경우에 비해 금 나노클러스터를 적용함으로써 효율을 0.59%에서 1.24%로 향상시킬 수 있었다. 특히, UV 처리는 다중층 그래핀의 면저항을 4 kohm/sq.이상으로 크게 높이게 되지만, 금 나노클러스터를 첨가함으로써 2-3 kohm/sq. 수준으로 유지할 수 있었다. 이번 연구에서는 금 나노클러터의 두께는 2nm, 사전 UV 처리 시간은 3.5분일 때 최적의 성능을 이끌어낼 수 있었다.
마지막으로 자외광 전자 분광법(UPS; Ultraviolet Photo-electron Spectroscopy) 측정을 통해 금 나노클러스터가 코팅된 다중층 그래핀 샘플의 일함수를 조사했다. 초기의 다중층 그래핀은 4.4 eV의 일함수를 나타냈는데, 2 nm 두께의 금 나노클러스터 증착 후 4.1 eV로 낮아졌고, 2분간의 UV 처리는 다시 4.8 eV로 0.7 eV 상승했다. 이는 추가로 증착되는 P3HT(일함수 ~ 5 eV)의 최고준위 점유 분자궤도(HOMO; Highest Occupied Molecular Orbital)와 잘 부합하는 것으로, 더 훌륭한 저항 접촉(ohmic contact) 및 시리즈 저항 감소를 가져온다.
다중층 그래핀과 금 나노클러스터를 적용한 PSCs가 ITO 양극을 적용한 경우에 비해 성능이 부족하지만, 그래핀에 대한 화학적 도핑을 통한 전도도 및 일함수 제어를 통해 추가적인 향상이 가능할 것으로 전망된다. 또한 ITO의 여러 단점을 극복함으로써, 미래 플렉서블 유기 태양 전지에 있어 잠재력을 입증한 것으로 평가된다. GTB

[그림 1] 다중층 그래핀을 적용한 고분자 태양 전지의 전류밀도-전압 특성. 삽입된 표는 다중층 그래핀 및 ITO로 제작된 소자의 특성을 비교한 테이블이다.
[그림 2] 여러 다중층 그래핀 샘플에 대한 자외광 전자 분광법(UPS; Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy) 측정 결과

최고 변환효율의 추이로 본
태양전지의 미래
産業技術總合硏究所 태양광발전 공학연구센터장 近藤 道雄씨에게 듣는다.
「3접합」과 「유기박막」에 기세
기록갱신, 강한 미국
실험 수준에서 일본도 활약
변환효율에서 극심한 경쟁이 펼쳐지고 있는 태양전지의 연구자들이 눈을 뗄 수 없는 논문이 있다. 각종 태양전지의 세계최고 변환효율을 리스트업한 「태양전지 효율표」이다. 국제적으로 공인된 데이터로 소중하게 여겨지고 있다. 태양전지 연구의 최전선을 기록해 온 논문에서 각종 태양전지의 연구동향과 가능성을 어떻게 읽을 수 있는가. 논문에서 공저(共著)를 담당한 산업기술총합연구소의 近藤 道雄 태양광 발전공학연구 센터장에게 들었다.
▲ 그래프에는 기록이 올라가고 있는 형태와 그렇지 않은 형태가 있는데요.
「1년에 1%의 페이스로 올라가고 있는 형태는 상승세에서 더욱 위로 뻗어나갔다고 할 수 있습니다. 가장 높은 기록을 계속 갱신하고 있는 『3접합 집광형』과 가장 낮은 곳에서 급신장하고 있는 『유기박막형』이 그렇습니다. 잠시 갱신되지 않은 형은 실험 수준에서는 기술적으로 한계에 가까울 가능성이 있습니다.」
▲ 시장에서는 단결정과 다결정 실리콘형이 강세입니다만, 그래프에서는 갱신되지 않았습니다.
「『단결정 실리콘』은 1999년에 기록한 25%에서 그쳤습니다. 실리콘형의 이론 한계는 30%에서 상한에 가깝지요. 『다결정 실리콘』도 2004년에 20%를 기록한 뒤 갱신되지 않았습니다. 다결정은 단결정에 비해 불완전한 결정이므로 깎아서 생각해 보면 역시 상한에 가깝습니다. 이론한계에 가깝고 기록갱신이 없는 형은 변환효율을 상한에 가깝게 하기보다는 실용 면에서의 연구가 활발하다고 할 수 있겠지요. (태양전지 효율표에 기초) 이 그래프는 실험 수준의 기록으로 실용화연구의 성과는 나타나 있지 않습니다.」
▲ 그 이외의 형은 답보상태에 있습니다.
「『CIGS(구리・인듐・갈륨・셀렌)』도 이론 한계에 가깝습니다. 『아몰퍼스 실리콘』은 이론적으로는 좀 더 오를 여지가 있지요. 『색소증감』은 확실치 않습니다.」
▲ 기록 갱신은 어느 나라 연구팀이 많이 합니까 ?
「오래 전부터 미국이 강했고 지금도 그렇습니다. 미국의 태양전지연구는 군사목적의 측면이 있어 돈을 아끼지 않고 성능을 추구합니다. 미국에서 비롯된 형이 많은 것도 그 때문이지요. 한편, 일본의 기업은 효율이 낮더라도(실험 수준의 몇 밀리센티미터 사이즈가 아니라) 실용화 사이즈에서 효율을 좋게 하려고 하는 경향이 있어요. 미국이 최고 효율을 추구하고, 일본을 포함한 아시아 세력이 산업으로 연결하고자 하는 흐름이 많았어요. 최근 유기박막형에서 기본 구조를 발명하는 등 실험 수준에서 일본팀의 활약이 두드러지기 시작했습니다.」 일간공업

【용어】태양전지 효율표 = 통칭 「이피시엔시 테이블」. 실험 단계의 각종 태양전지의 세계 최고 변환효율을 리스트업한 논문. 미국 태양전지 전문지가 발행하는 것으로 해마다 2회 갱신한다. 産總硏, 미국 국립재생가능에너지연구소(NREL), 독일 프라운호퍼 연구기구 등 미국 유럽, 일본의 연구기관이 공동으로 정리한다. 등록에는 이 연구기관에 의해 정해진 조건 하에서 시행되는 측정이 필요하다. 실리콘형, 화합물형, 유기형, 다접합형 등 15종류 이상의 데이터를 다루고 있다.

태양광 발전・송전 시스템
사하라 사막에 구축 2030년 목표
東京大學 新領域創成科學硏究科의 鯉沼臣 객원교수와 中部大學 공학부의 山口作太郞 교수 등은 2030년까지 아프리카 사하라 사막에서 모래를 사용한 태양광 발전 송전 시스템의 구축을 추진할 것이라고 발표했다. 사막의 모래로 실리콘 태양전지를 제조하고 발전한 전력을 초전도 케이블을 통해 고효율로 송전한다. 프로젝트명은 「사하라 솔라 브리더 계획」으로 아프리카와 중동 여러 나라에 제안하여 개발자금 획득을 추진한다.
사막의 모래는 실리콘 산화물이 주성분이므로 환원 작용으로 실리콘을 정제할 수 있어 실리콘 태양전지에 이용할 수 있다. 종래보다 제조 원가를 5분의 1 이하로 할 수 있다고 한다. 초전도 케이블은 송전 시의 전력손실이 낮다는 것이 특징. 마이너스 200℃의 초전도 상태를 만들어 내기 위한 냉동기 등과 조합시킨 시스템으로서의 연구개발을 추진한다. 일간공업