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| ▲ 염료감응 태양전지 적용 사례 |
올해 정부의 에너지기술개발 사업 중 3~5년의 중장기 주요핵심 추진기술 목록에는 태양광분야와 관련해 3가지가 있다. 고신뢰성 염료감응 태양전지와 모듈제조 상용화기술, 고효율 후면전극형 실리콘 태양전지와 모듈제조기술, 유기 태양전지 모듈 제조기술 개발이다. 이들 기술은 태양광산업의 화석연료와의 경쟁력을 넘어 국제경쟁력을 갖추기 위한 태양전지의 저가화 실현에 초점이 맞춰져 있다. 최장 5년 안에 이들 과제를 성공적으로 수행하면 기술과 산업, 고용 측면의 파급효과가 클 것으로 기대된다. 각 기술별 기술개발 내용과 전망을 정리했다.
■염료감응 태양전지
핵심소재 모듈제조공정 기술 확보로 산업화기반 조성
염료감응 태양전지는 원가혁신을 통한 저가격 태양전지화와 BIPV 최적합 태양전지로 시장 확대에 대응할 수 있는 유력한 기술로 떠오르고 있다.
특히 핵심 단위셀 기술은 선진국과 대등한 수준이나 상용화 모듈기술은 2~3년의 격차가 있어 기술추격 및 극복을 위한 상용화 기술개발이 시급하다는 지적이 제기돼 왔다.
염료감응 태양전지는 두 장의 투명전극 사이에 나노 입자로 구성된 다공질 TiO2 후막, 이 입자위에 단분자층으로 흡착된 염료, 그리고 두 전극 사이를 채우고 있는 산화 환원 물질을 포함한 전해질이 들어있는 광전기 화학 기반 태양전지다.
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현재 모듈제조 단가를 최대 실리콘 결정계 태양전지 대비 5분의 1수준으로 하는 것이 가능하지만 상용화를 위한 실용수준의 모듈에서 효율과 수명이 낮은 것이 문제다. 따라서 핵심소재, 모듈 제조공정, 패널 제작 및 평가기술을 확보해 산업화기반을 조성해야 한다. 세부기술개발 과제로 들어가 보자. 우선 핵심소재의 고효율화와 안정화, 소자시스템의 최적화 기술개발이다. 핵심소재는 염료, 광음극 나노입자, 전해질 봉지재로 구분할 수 있다.
염료는 장파장 흡광성능 개선을 위한 신규소재를 개발해야 한다. 광음극 나노 입자는 광산란 효율 향상을 위한 입도 및 구조 최적화와 저온공정 광음극 나노입자 기술이 필요하다.
전해질은 셀 내부 집전 전극과의 반응성을 최소화 하고, 내구성 향상을 위해 준고체 형태로의 개발을 해야 한다. 봉지재는 외기로부터 태양전지셀을 보호하고 전해질과의 반응을 최소화해 장기안정성을 확보하는 것이 관건이다.
또 광이 셀에 입사해 발전하기까지 광이용 효율을 극대화하고 셀 내의 전하전달을 최적화할 수 있도록 소자시스템을 최적화 하는 기술이 필요하다.
모듈기술은 고효율의 안정된 핵심소재와 병행하여 수광 효율 극대화 구조개발, 무효면적 최소화 모듈 디자인 기술개발, 발생된 전하의 외부 취출효율 극대화 배선공정(직렬저항 최소화), 저가격 모듈기술, 핵심 공정기술을 개발하는 것이다.
이를 바탕으로 2015년 이후 2조원 이상의 염료감응 태양전지 세계시장 점유, 유리창호 등 컬러 및 투명특성 태양전지 시스템 시장개척, 염료감응 태양전지 밸류체인 및 신산업군 육성을 목표로 한다.
이번 과제 수행기간은 총 5년으로 1단계는 3년 동안 400㎠크기에서 10년 수명의 8%모듈효율 기술을 개발하고 이어 2단계에서 10%모듈을 가진 대면적 모듈기술을 개발하는 시나리오다.
국내 염료감응 태양전지 관련 연구개발기관은 산학연을 포함해 20개소 정도로 일본 200개소에 비교해 전체적인 기술수준에서 2~3년 뒤져있다. 주로 국책연구기관을 중심으로 단위셀 기술개발에서 고집적화 고효율화 고내구성화 모듈 요소기술개발로 진행되고 있다.
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KIST는 단위셀 11.4%의 효율을 달성해 당해분야에서 국내 최고의 성능을 보유하고 있으며 2009년 10×10cm모듈에서 8%효율을 목표로 국책과제를 진행 중이다. 전자통신연구원은 금속박판을 기판으로 한 플렉시블한 염료감응 태양전지에서 최근 7%대의 효율을 발표했으며 전기연구소는 촉매전극으로 백금을 대체하는 카본나노튜브를 개발해 단위셀에서 8%, 10×10cm모듈에서 6%의 효율을 달성했다.
동진쎄미켐은 염료감응 태양전지 핵심재료인 유기계 염료 개발실적과 반도체 재료기술, KIST로부터 단위셀 핵심기술이전을 바탕으로 자체적으로 모듈 상용화기술 개발 중이다. 2010년 시험양산을 목표로 하고 있다.
삼성SDI는 KAIST와 공동연구를 통해 졸젤 염료감응의 10㎠크기의 염료감응 태양전지 모듈을 개발했다. 변환효율은 6%수준으로 기존 개발제품의 5%보다 향상된 수준이다. 2012년까지 실제 상용화과제를 실시하고 삼성 SDI가 사업화할 계획이다.
따라서 국내의 단위셀 요소기술 효율은 선진국 대비 98%, 내구성은 70%이며 모듈 효율은 70%, 내구성 50%수준이다.
■실리콘 태양전지
-선진국 경쟁업체와 경쟁력
-효율 20% 이상 개발해야
현재 상업화된 태양전지는 단결정과 다결정 실리콘 기판을 이용해 만든 결정질 실리콘 태양전지가 전체 시장의 90%이상을 차지하고 있다.
결정질 실리콘 태양전지의 경우 표면처리, pn접합, 반사방지막 형성, 스크린 프린팅법으로 금속전극 형성 등의 공정을 적용해 생산한다.
효율은 상업용 태양전지의 경우 다결정이 15%, 단결정이 16% 정도다. 후발주자인 국내 태양광산업은 기존의 15~16% 태양전지 생산라인으로는 독일 중국 등 경쟁업체와 규모에서 불리해 경쟁력이 점진적으로 상실될 것으로 보인다. 따라서 20%이상의 고효율 셀 개발은 불가피한 상황이다.
후면전극형 실리콘 태양전지는 후면에 모든 전극이 집적되어 있어 전면의 그림자로 인한 손실을 줄이고 후면 정션과 전극이 분리되기 때문에 추가 공정이 필요하지 않다. 또 표면요철과 반사방지막처리를 통해 빛의 흡수를 높이며 전면의 저농도 도핑과, 전후면 passivation공정을 통해 재결합 손실을 줄여 효율 향상에 기여할 수 있다. 이러한 구조의 태양전지를 개발하기 위해서는 후면에 정션 형성을 위한 새로운 확산공정기술과 후면 전극형성기술 개발이 필요하다. 또 모든 전극이 후면에 위치해 있어 모듈 조합시에 용이하며 모듈 설계기술 및 양산화공정 등 개발에 셀 손상과 비용절감 효과를 볼 수 있다.
이 과제는 3년 동안 수행하며 125×125mm크기에서 제조단가 Wp당 0.7달러의 고품질 기판을 확보하는 기술과 제조단가 1.5달러의 변환효율 22%를 나타내는 단결정 태양전지 개발, 대면적 1.58㎡에서 변환효율 19% 제조단가 1.85달러 후면전극형 모듈을 개발하게 된다. 여기에는 5MW파일럿라인 구축까지 포함한다. 후면 전극형 고효율 실리콘 태양전지는 기존 상업용 실리콘 태양전지에 비해 2~4% 정도 높은 효율을 가지고 있어 기존 시장의 확대를 불러올 것으로 기대된다.
■유기 태양전지
- 실험실 수준에서 양산 위한
- 대면적 모듈 제조기술로 격상
유기 태양전지는 가볍고 유연하며 맞춤형 크기로 대량생산이 가능하다. 생산 시 에너지가 적게 소모되어 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있고 장소에 구애받지 않아 개인 휴대용 발전기부터 산업용 전력생산까지 가능한 차세대 태양전지다. 해외 선진기업을 중심으로 상용화 모듈이 출시되었으나 국내 연구는 효율 개선과 관련된 실험실 수준으로 양산을 위한 대면적 모듈 제조기술이 필요하다.
유기 태양전지는 단순한 소자 구조와 저온 상압의 인쇄 공정으로 무기계 태양전지에 비해 에너지소모가 적어 생산과정의 CO₂저감에도 기여할 수 있다. 또 대면적 롤투롤(roll to roll) 양산공정이 개발되면 전력생산 단가를 0.2~0.3달러 미만으로 낮출 수 있을 것으로 보고 있다. 이번 과제는 총 5년 동안 에너지변환효율 5%, 제조원가 1W이하, 전지수명 3년 이상을 목표로 한다.
개발 범위로는 단위셀 수준의 연구와 함께 양산을 위한 대면적 모듈제조 연구다. 또 인쇄공정에 적합한 광전변환 효율이 높은 광활성층 소재의 저가 생산성을 확보해야 한다. 이와 함께 저가격 대량생산이 가능한 새로운 유기전극 필름과 내구성을 향상하기 위한 gas barrier필름 기술을 개발한다. 특히 롤투롤 인쇄공정 연구의 경우 광활성 소재의 잉크화와 플라스틱 기판의 웹 이송기술, 중첩인쇄 기술 및 공정제어기술 등의 통합적 기술개발이 필요하다.
개발된 기술과 장비의 공정 최적화를 통해 유기 태양전지 시제품을 제작하고 수요기업 중심의 총괄과제를 통해 효율과 수명, 응용제품의 적용가능성을 검증할 계획이다.
이번 기술개발 결과와 국내 전자소재용 기능성 필름 산업의 가공기술 활용을 활용하면 단기간에 독자기술개발로 이어질 것으로 기대된다. 또 이 과제를 성공적으로 수행할 경우 휴대용 전원 공급기기, 그린하우스 등 소비재 위주의 신시장을 타겟으로 제품 공급시 2015년 이후 3년간 약 700억원의 매출과 부재료 약 1.4조원 매출 창출이 가능할 것으로 예측된다.
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