최근 심각한 환경오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있는 가운데 그중 태양전지는 공해가 적고 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 손꼽히고 있다.
지속적인 고유가와 기후협약 대응, 친환경 조성 등으로 클린 에너지에 대한 관심이 최고조에 달하고 있는 요즘 태양전지산업은 각국의 신재생 에너지정책에 힘입어 높은 성장성과 수익성을 나타내고 있다.
하지만 국내 태양전지 산업은 실리콘재료의 공급 부족과 참여 기업 난립 등의 성장 장애 요소로 인해 향후 치열한 생존경쟁이 시작될 것으로 예상됨에 따라 이에 대한 대비가 시급한 실정이다. 특히 국내 태양전지 산업은 핵심부품인 태양전지용 웨이퍼 및 셀을 대부분해외업체로부터 수입에 의존하는 등 전방사업에서는 이제 시작단계로 볼 수 있다.
하지만 태양전지 기술은 이미 우리나라가 강력한 경쟁력을 확보한 반도체, LCD 등과 공정기술이 유사하기 때문에 발전 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.
본지는 이러한 태양전지 산업에 관한 국내외 현황과 기술개발 동향을 살펴보고 향후 국내 태양전지 산업의 대응 및 육성 방안에 대해 살펴보기로 한다.
■ 미래 산업의 핵심 태양전지
태양전지(solar cell, photovoltaic cell)는 햇빛에 노출되었을 때 그 빛 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 반도체 소자의 일종으로 최근 들어서 태양전지(solar cell)보다 태양광 발전 전지(photovoltaic cell)라는 용어를 사용하는 추세이다.
1889년 당시 19세의 프랑스 물리학자 에드몬드 베퀠러가 처음으로 금속전극과 전해질로 구성된 셀이 빛에 노출될 경우 매우적은 양의 전류가 발생된다는 광기전 효과를 발견하면서부터 시작된 태양전지 연구는 이후 1873년 고체 셀렌의 광전도현상이 영국의 윌로우비 스미스에 보고된 후 1883년 미국의 찰스 프릿은 고체셀렌을 이용하여 약1~2%에 해당되는 지금의 태양전지와 같은 구조인 태양전지를 발명한다. 그리고 실리콘 태양전지는 1918년 폴란드 과학자 크조크라르스키의 단결정 실리콘 생성방법 개발 후 활기를 뛰며 1954년 벨연구소에 의해 처음으로 4.5%의 변환 효율을 갖는 태양전지가 개발 되면서 본격적인 고효율 태양전지개발이 시작됐다.
태양전지의 실용화는 호프만 전자에 의해 1958년 뱅가드 1호위성에 처음 장착됐다. 이때는 10%미만의 변환효율을 가지고 있었다. 하지만 오늘날의 태양전지는 좀 더 높은 효율을 위한 개발의 결과 결정형 실리콘 태양전지의 변환효율이 24.7%까지 성공하게 됐다.
태양광 발전(PV, Photovoltaic)은 무한정, 무공해의 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 발전방식으로서 태양전지, 태양전지 모듈, 태양전지 패널, 태양전지 어레이(array), 전력변환장치(PCS : Power Conditioning System), 축전장치 등으로 구성된다.
태양광 발전 시스템은 크게 빛을 받아서 전기로 전환해 주는 부분(모듈)과 생산된 전기를 수요에 맞도록 교류로 변환하고 계통에 연결해 주는 부분(PCS)으로 구분된다. 태양전지의 최소단위를 셀이라고 하며 보통 셀 1개로부터 나오는 전압이 약 0.5V로 매우 작기 때문에 다수의 태양전지를 직병렬로 연결, 사용범위에 따라 실용적인 범위의 전압과 출력을 얻을 수 있도록 1매로 패키징하여 제작된 발전장치를 태양전지 모듈 (PV Module)이라고 한다.
또한 여러 개의 모듈을 태양광선을 잘 쪼이도록 남쪽을 향해서 일정한 각도로 프레임 등에 설치한 것을 태양전지 어레이라고 한다. 통상 태양전지 어레이의 발전전력은 직류출력이며 부하(負荷)가 교류전력을 필요로 하는 경우에는 직류를 교류로 변환하는 인버터가 필요하다.
태양광의 경우 밤에는 제로이고 흐린 날에는 입사 태양광이 적어지기 때문에 발전전력이 적어진다. 이와 같이 태양광 발전시스템의 전기출력은 시간, 일기에 크게 좌우되어 대단히 불편하다. 이 때문에 전기를 저장해두는 축전장치가 필요하며 또한 전력 계통에 접속하는 경우 계통연계장치가 필요하다.
이러한 태양광 발전시스템의 구성요소 중에서 핵심부품은 태양전지이다. 태양전지는 사용하는 재료에 따라 실리콘과 CIS계, CdTe 등의 화합물 반도체, 기타 유·무기 화합물 등으로 분류되며 그 형태는 웨이퍼, 박막 등으로 구분된다.
태양전지는 현재 실용화돼 전원용으로 이용되고 있는 것이 주로 실리콘(Si) 태양전지이다.
실리콘 태양전지는 이미 반도체 분야에서 많이 연구되어 있고 기술의 신뢰성도 매우 높은 상황이다.
사용목적에 따라 다른 종류의 반도체를 이용한 태양전지도 실용화 단계에 있으며 특수한 소재 및 구조를 가지는 태양전지에 대한 연구도 한창 진행 중이다. 현재 결정질 실리콘 태양전지가 전체 태양전지 시장의 95%를 차지하고 있으며 저가 고효율화를 목표로 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한 박막형(thin film-type) 태양전지에 대한 연구도 활발히 진행되고 있으며 2010년에 박막태양전지가 전체 태양전지 시장의 30%를 점유할 것으로 예상되고 있다.
