2006년 국가별 태양전지 생산량은 일본 920MW, 미국 201MW, 유럽 730MW 등 세계전체1,905MW로 급속한 생산량 증가를 보이고 있다. 반면 모듈의 생산은 유럽이 750MW, 일본 645MW, 미국 201MW를 나타내고 있다.
반도체를 비롯해 태양전지의 원자재인 폴리실리콘은 최근 공급 부족 사태와 더불어 가격이 급등하고 있는 추세이다. 이같은 추세로 전문가들은 향후 폴리실리콘의 확보가 태양광 발전 사업에 최대 쟁점이 될 것으로 예상하고 있다.
현재 태양전지의 원재료인 결정형 폴리실리콘 제조업체는 높은 기술진입 장벽 및 공급부족의 심화로 가장 높은 수익성을 향유하고 있다. 또한 a-Si 박막형 태양전지의 핵심원료이자 제조공법을 변화하면 폴리실리콘의 원료로도 사용될 수 있는 모노실란(SiH4)의 경우 향후 부가가치가 더 커질 것으로 예상되고 있다. 다만 유기 및 염료감응형 태양전지와 같은 차세대 태양전지로 기술이 진화하는 경우 재료보다는 전지와 모듈업체의 부가가치 창출이 상대적으로 클 것으로 예상된다.
현재 태양광 발전의 최대 약점은 발전단가가 높아 비경제적이라는 점을 들 수 있다. 최근 폴리실리콘 공급부족 및 가격 급등으로 박막형 실리콘 태양전지, 염료감응형 태양전지, 유기 태양전지 등에 대한 적극적인 기술개발을 통한 기술 진화가 예상되고 있다.
아울러 현재 태양광 발전 모듈에서 실리콘이 차지하고 있는 비중도 높아지고 있다. 태양광 모듈은 전체 시스템의60%가량을 차지하고 있으며 모듈 구성요소 중에서 광 흡수층에 사용되는 실리콘의 구성비는 40% 이상을 차지하여 전체 태양광 시스템 가격결정에 가장 중요한 요인이 되고 있다. 이와 같은 실리콘 공급부족과 가격상승은 태양광 발전의 가장 큰 단점인 단위당 발전단가를 높이는 요인으로 작용하고 있기도 하다.
한편 세계 태양전지업계를 살펴보면 일본의 샤프, 교세라, 산요, 미쓰비시 등 전자기술이 우수한 업체들이 높은 시장점유율을 확보하고 있으며 최근에는 적극적인 정부정책과 시장이 크게 활성화되고 있는 독일 업체들의 시장점유율 상승도 두드러지고 있다.
특히 세계 1위인 일본의 샤프(434MW, 점유율 17.4%)는 2003년부터 엄청난 영업이익을 기록하고 있으며 현재 박막형 태양전지분야를 강화하기 위해 연산 1GW급의 생산능력을 갖춘 공장을 2010년까지 건설할 계획을 수립하고 있다. 또한 샤프는 태양전지와 LED(발광다이오드)를 내장하여 조명 역할까지 가능한 건축용 외장재인 ‘루미월'을 건설업체와 공동으로 개발하는 사업도 진행 중이다.
또한 세계 2위인 독일의 Q-Cells(253MW, 점유율 10.1%)은 정부의 적극적인 시장 촉진정책에 힘입어 사업개시 이후 흑자 체제를 계속 유지하고 있다. 또한 폴리실리콘 세계 2위 업체인 REC(노르웨이) 지분 17.9%를 확보한 Q-Cells은 연간 생산능력을 2010년까지 1GW로 늘릴 계획이다.
이밖에 태양광 발전시스템의 보급도 급속하게 증가하고 있는데 이는 특히 환경문제와 미래 에너지의 안정적 확보를 배경으로 태양광 발전시스템의 보급이 세계적으로 급속히 확대되고 있음을 보여준다. 태양광 발전시스템을 가장 많이 보급한 국가는 독일이며 그 다음이 일본이다.
■ 국내 태양전지 소재 산업 현황
국내 태양전지 소재 산업에는 단연 동양제철화학 그룹이 눈에 띈다.
반도체 웨이퍼 및 태양전지의 핵심소재인 솔라셀을 만드는데 필수 원료로 사용되는 폴리실리콘은 그동안 전량 수입에 의존해 왔지만 2006년 동양제철화학이 국내 최초로 사업에 진출해 마침내 지난 3월 군산에 연산 5천톤 규모의 폴리실리콘 생산공장을 완공하며 본격적으로 생산 및 출하를 시작했다.
동양측은 현재 장기공급 계약 액수 중 2008년 매출액만 8백20억원이며 영업이익은 50% 마진으로 잡았을 때 4백10억원이다. 지난 3월에만 총 1조3천억원의 장기공급 계약을 체결했으며 현재까지 총 3조 2천억에 달하는 계약을 이뤄냈다.
아울러 동양제철화학은 2009년 상반기 완공을 목표로 7천억원을 투입, 1만톤 규모의 군산 제2공장을 추가로 건설하고 있다.
지난 2007년 대죽산업단지에 1백톤 규모의 폴리실리콘 파일럿 생산설비를 구축하고 시험가동을 했던 KCC 또한 태양전지 원료인 폴리실리콘 생산라인 구축이 한창 진행중인 것으로 알려졌다.
KCC는 현대중공업과 총 6천억원을 투자해 2010년 가동을 목표로 연산 6천톤 규모의 폴리실리콘 생산공장을 지을 예정이다. 이 가운데 3천톤 규모는 KCC가 독자적으로 투자하며 나머지 3천톤 설비에 대해서는 KCC와 현대중공업이 51대49 비율로 투자하게 된다.
한편 폴리실리콘 제조에 쓰이는 모노실란 생산의 경우 국내에서는 국산화에 성공한 소디프신소재가 유일하다.
모노실란은 폴리실리콘 제조과정에서 생성되는 부산물로 전세계 2~4개 업체만이 생산하는 전형적인 과점시장이다. 폴리실리콘의 공급부족이 지속되는 상황에서 모노실란 산업도 생산자 중심의 고부가가치 산업으로 자리 잡아 갈 것이란 게 전문가들의 전언이다.
현재 모노실란은 전세계적으로 총 8천5백톤 가량이 생산되고 있다.
국내 산업용가스 업계에 따르면 ASIMI가 가장 많은 5천톤, MEMC가 2천7백톤, 데날실란이 3백톤, 소디프신소재 3백톤, 미쓰이화학이 1백50톤을 생산하고 있다.
태양광 발전의 시작단계에 있는 우리나라는 소디프신소재의 모노실란 생산은 중요한 이점 중에 하나로 평가할 수 있다. 소디프신소재는 현재 3백톤 규모의 모노실란 생산량을 2009년 중순까지 2천톤 생산규모로 늘린다는 계획하에 모노실란 제2공장 증설을 발표함으로써 향후 폴리실리콘 파동에 있어서도 유리한 위치를 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
이밖에도 최근 삼성전자가 2010년 까지 박막태양전지를 상용화 할 계획으로 태양전지 연구개발(R&D) 거점을 본격 가동하며 태양전지 사업에 첫발을 내딛었다.
한편 태양전지의 원료인 폴리실리콘 , 실리콘, 잉곳은 산업용가스의 수요처로서 산업용가스업계에서는 중요한 시장이다.
실리콘 원석을 재료화 하는데 기본적으로 액체질소가 월 1백만 리터가 사용되는 동시에 폴리실리콘 제지를 생산하는 기본 장비인 Grower 장비의 경우 아르곤의 사용이 크기 때문이다.
■ 기술개발 동향
앞서도 밝힌바와 같이 현재 태양전지 산업의 95%를 실리콘 태양전지가 차지하고 있지만 2000년 이후 실리콘 태양전지의 효율이 한계치에 도달하고 갑작스러운 수요 증가로 인해 실리콘 원재료 및 실리콘 기판 수급 문제가 발생하는 등 태양전지 제조 단가가 상승하게 됨으로써 태양전지는 제조 단가 절감과 효율 향상 문제 이외에도 원자재 수급 등을 해결해야 하는 문제가 생겼다.
실리콘 태양전지를 이용한 태양광 발전 시스템이 정부 보조금 지급으로 인해 보급량이 늘긴 했지만 변환효율이 20% 미만으로 다른 재생에너지에 비해 발전 단가가 높은 문제점은 여전하다. 태양광 발전 시스템에 있어서 태양전지 모듈 가격이 차지하는 비중이 크고 태양광 발전 시스템을 설치할 때 드는 모듈 설치비용, 설치에 필요한 땅값, 유지 관리비 등 태양 전지 이외의 비용이 태양전지의 총 면적에 비례하기 때문에 태양전지의 효율 증가는 태양광 발전 시스템의 제조 단가를 낮추는 효과도 있지만 발전 단가를 낮추는 중요한 변수이다.
따라서 태양 에너지를 지상 전력용으로 도입을 확대하기 위해서는 태양전지의 고효율화 기술과 저가화 기술이 중요한 핵심 기술이라고 할 수 있다.
태양전지의 제조기술 개발은 주로 신뢰성 및 에너지 변환효율 향상, 저가화에 중점을 두고 있다. 태양광 발전시스템의 설치비용 중에서 태양전지가 약 40% 이상을 차지하고 있어 태양전지의 저가화가 태양광 발전의 핵심기술이라고 할 수 있다.
태양광 발전용 전력변환장치(PCS) 기술은 태양광 발전시스템의 잠재능력과 부가가치 향상을 위한 기능의 다양화에 대한 연구가 진행 중에 있다.
주변장치(BOS : Balance Of System) 기술은 태양전지 어레이, 프레임, 전력 저장장치, 시스템 설계기술, 최적 매칭기술 등과 같은 기술이며 상용화에 문제가 되는 기술은 대부분 해결됐고 표준화 및 규격화를 위한 기술개발에 중점을 두고 있다.
특히 태양전지의 에너지 변환 효율을 높이기 위해서 가급적 많은 태양광이 반도체 내부에 흡수되도록 하고 태양광에 의해 생성된 전자가 쉽게 소멸되지 않고 외부 회로까지 전달되도록 하며 접합부에 큰 전기장이 생기도록 소재 및 공정을 디자인하는 기술을 개발하고 있다.
한편 태양전지의 효율을 살펴보면 태양전지의 광전(光電) 변환효율은 실리콘 태양전지의 경우 이론적으로 약 28%, 화합물 전지는 30% 이상도 가능하다고 한다. 광전 변환효율을 높이게 되면 전기에너지 발생에 필요한 태양전지와 설치면적을 줄여 발전시스템 비용을 낮출 수 있다.
그중 그동안 높은 제작 단가로 인해 인공위성과 같은 특수 용도로만 사용되던 III-V 화합물 반도체 태양전지가 고집광 장치와 결합, 발전 단가를 실리콘 태양전지 수준으로 낮출 수 있는 기술이 개발됨으로써 지상용 에너지원으로 부각되고 있다.
상용화된 단결정 실리콘 태양전지의 광전변환 효율은 15% 전후, 다결정 실리콘 태양전지는 14% 전후로 아직까지 기술혁신을 이룰 가능성은 많은 상황이다.
