[탄소중립 ④] 에너지연 윤재호 단장, “세계 최고 기술로 태양전지 상용화 선도한다”
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[탄소중립 ④] 에너지연 윤재호 단장, “세계 최고 기술로 태양전지 상용화 선도한다”
  • 이기종 기자
  • 승인 2021.09.16 11:00
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- 페로브스카이트 태양전지, 세계 최고 기록 ‘25%’ 네이처와 사이언스 등재
- 한계돌파형 탠덤 태양전지 연구로 초고효율 태양전지 연구 선도
2050년 탄소중립 실현과 태양광 혁신기술의 의미를 설명하고 있는 한국에너지기술연구원(KIER) 태양광연구단 윤재호 단장. 위 장비는 롤투롤 스퍼터링 시스템이며 이를 통해 경량 플렉시블 태양전지 개발을 기대하고 있다./ⓒ이기종 기자
2050년 탄소중립 실현과 태양광 혁신기술의 의미를 설명하고 있는 한국에너지기술연구원(KIER) 태양광연구단 윤재호 단장. 위 장비는 롤투롤 스퍼터링 시스템이며 이를 통해 경량 플렉시블 태양전지 개발을 기대하고 있다./ⓒ이기종 기자

[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 지구 온난화로 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등 이상기후 현상이 전 세계에서 발생하고 있다.

특히 지구의 온도가 2℃ 이상 상승할 경우 폭염 한파 등 자연재해가 발생한다고 알려져 있고 반면 상승 온도를 1.5℃로 제한할 경우 생물다양성, 식량안보, 인간 안보 및 경제 성장에 대한 위험이 2℃보다 대폭 감소한다고 한다.

이에 국내외적으로 지구온도 상승을 1.5℃ 이내로 억제하기 위해 오는 2050년까지 탄소 순배출량을 ‘0(제로화)’이 되게 하는 탄소 중립 사회로의 전환이 필요하다.

국내적으로 문재인 대통령은 지난해 10월 국회 시정연설에서 ‘2050년 탄소 중립’을 처음으로 언급하고 “국제사회와 함께 기후변화에 적극 대응하여 2050년 탄소 중립을 목표로 나아가겠다”고 발표했다.

이어 최근 한국에너지기술연구원은 ‘탄소중립을 위한 기술혁신 추진전략’ 심포지엄을 개최했고 여기에서 김종남 원장은 “한국에너지기술연구원은 국내 유일의 에너지기술 전문연구기관으로서 탄소중립 기술개발을 선도할 뿐만 아니라 탄소중립 기술 분야 간 교류를 주도해 2050 탄소중립사회를 실현하겠다”고 강조했다.

현재 한국에너지기술연구원은 ‘2050년 탄소 중립’을 실현하기 위해 태양광, 풍력, 바이오 등의 자연에너지를 고효율·저비용으로 활용하는 기술, 화석연료를 탄소중립 연료로 대체하기 위한 수소에너지기술, 에너지 사용량을 최소화하는 효율향상 기술, 화석연료를 청정하게 활용하고 자원순환을 하는 기술 등을 연구하고 있다.

이에 본지는 ‘탄소중립’ 실현을 위한 태양광 혁신 기술을 개발하고 있는 한국에너지기술연구원(KIER) 태양광연구단장을 맡고 있는 윤재호 책임연구원을 만나 탄소중립을 위한 태양광 분야 국내외 연구 동향과 연구성과, 상용화 가능성 등을 살펴본다.<편집자 주>

- 태양전지의 유형과 연구동향은?

▶ 태양빛을 전기로 변환하는 태양광 시스템은 빛을 전기로 변환하는 소자인 태양전지와 여러 장의 태양전지를 패키징(packaging)한 태양광 모듈, 전력저장기능의 축전장치, 태양전지에서 발전한 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치인 PCS(Power Conditioning System), 시스템 제어 및 모니터링과 부하 등으로 구성된다.

이 중에서 태양전지는 빛을 흡수하는 반도체 종류에 따라 결정질 실리콘 태양전지, 화합물 박막 태양전지, 유기 태양전지, 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell) , 염료감응 태양전지 등으로 나눌 수 있다.

이 중에서 결정질 실리콘 태양전지의 경우 최근 중국 최고의 태양광 제조업체 론지솔라(LONGi Solar)에서는 25.1%의 양산 기반 n형 단결정 TOPCon 구조 태양전지를 발표했고 독일의 프라운호퍼 연구소에서는 26%의 TOPCon 셀을 개발하는 등 계속적으로 고효율 기술이 개발되고 있다.

중국 론지솔라에서 추진 중인 전하선택형 태양전지(TOPCon, tunnel oxide passivated contact)는 기존 실리콘 p-n 접합의 구조 후면에 1.5nm의 얇은 실리콘 산화막과 수백나노미터의 폴리실리콘을 접합하는 구조이다.

이는 기존 반도체의 트랜지스터나 호주의 UNSW(University of New South Wales) 대학에서 발표한 구조로 전형적인 금속-부도체-반도체 구조이며 이를 통해 다수 캐리어와 소수캐리어의 이동을 분리하여 높은 개방전압을 얻을 수 있다.

이어 한국의 한화솔루션에서도 21.4% p형 PERC 태양광 모듈을 출시해 고효율 고출력 태양전지 개발 경쟁에 동참했고 LG전자에서도 후면전극형 TOPCon 구조를 적용해 최고 21.4%의 지붕형 모듈을 출시했다.

한화솔루션의 p형 PERC(passivated emitter rear contact) 태양광 모듈은 실리콘 p-n 접합의 후면에 실리콘 표면을 보호하기 위한 유전막을 증착하고 전극과의 컨텍을 위해 일부 유전막을 가공해 실리콘과 전극의 접합을 형성하는 구조로 기존 후면 전극 전면(full) 컨텍에 비해 유전막으로 인한 개방전압을 높일 수 있는 구조이다.

또 LG전자의 후면전극형 TOPCon 구조는 앞서 설명한 TOPCon 구조와 기본적인 컨셉은 동일하나 다만 p-n 접합이 후면에 동시에 존재함으로써 전면 전극이 없는 상태이며 이로 인한 전류의 손실이 적은 것이 특징이며 기존 태양전지에 비해 높은 전류밀도를 가짐으로써 높은 효율을 기대할 수 있다.

그리고 결정질 실리콘 태양전지 이론 효율을 극복하기 위한 탠덤 태양전지의 경우에도 영국의 옥스퍼드 PV에서 29.5%의 세계 최고 효율을 발표했다.

다음으로 페로브스카이트 단일 접합 경우에는 한국의 고려대, UNIST, 화학연, 에너지연 등에서 25% 이상의 작은 면적 태양전지 효율을 발표해 글로벌 기술을 선도하고 있으며 최근에는 대면적 모듈 제조기술과 내구성 확보를 위한 연구를 진행하고 있다.

현재 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 구성된 화합물 반도체 태양전지) 화합물 박막 태양전지의 경우 Miasole, Flisom 등 유연 기판을 활용한 태양전지 개발이 진행 중이고 특히 Miasole의 경우 18.6%의 대면적 플렉시블 태양전지 효율이 발표됐다.

- 태양전지의 개발방향은?

▶ 태양전지의 개발 방향은 크게 2가지 방향이며 고효율화와 다기능화다.

먼저 고효율화 측면에서 결정질 실리콘 태양전지는 현재 낮은 제조단가와 높은 광전 변환효율로 인해 세계 시장의 90% 이상을 차지하고 있다.

이 결정질 실리콘 태양전지의 경우 양산 모듈의 효율을 높이기 위해 기본적인 태양전지 구조에서 TOPCon, PERC, SHJ, IBC 등 다양한 구조로 변화하고 있다.

이 중에서 TOPCon, PERC는 앞서 설명했고 SHJ(Silicon heterojunction) 태양전지의 경우는 실리콘 웨이퍼의 양면에 진성 비정질 실리콘과 전·후면에 각 p와 n형 비정질 실리콘을 증착한 구조의 태양전지로 계면의 패시베이션 효과가 우수하고 비정질 실리콘 내 포함되어 있는 수소의 효과로 높은 개방전압을 달성할 수 있는 기술(또는 구조)이다.

특히 전 공정이 200도 미만에서 이루어지기 때문에 열에 의한 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또 IBC(interdigitated back contact) 태양전지는 일반적인 구조의 태양전지와 달리 전극이 모두 후면에 존재하기 때문에 높은 단락전류를 얻을 수 있는 기술(또는 구조)이다.

현재까지 결정실 실리콘 태양전지의 세계 최고효율은 26.7%인데 이론 효율이 30% 이하임을 감안하면 효율향상의 한계치에 다다르고 있다고 생각한다.

이러한 문제를 극복하기 위해 제안된 것이 탠덤(tandem, 이중접합) 태양전지이다.

탠덤 태양전지는 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)을 가진 태양전지를 적층하고 빛의 이용률 높임으로써 단일접합 태양전지의 효율한계를 극복하기 위한 기술이다.

최근 낮은 온도에서도 높은 효율을 나타내는 페로브스카이트 태양전지를 활용한 탠덤 기술이 활발히 진행되고 있다.

특히 결정질 실리콘 기반의 페로브스카이트 탠덤 태양전지는 이미 29% 이상의 효율이 연구가 됐고 향후 35% 이상의 태양전지가 개발될 것으로 전망되고 있다.

한편 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조를 가진 유무기 하이브리드 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양전지로 최근 효율이 증가하고 있는 태양전지이다.

현재 국내 기술이 세계 기술을 선도하고 있고 25% 이상의 세계 최고 수준의 효율을 국내 다수 그룹에서 발표했다.

페로브스카이트는 소재 안정성과 내구성 측면에서 해결해야 할 이슈들이 남아 있지만 현재 개선되고 있고 간단한 제조 공정을 통해 만듦에도 불구하고 효율이 높아 향후 상용화가 기대된다.

또 이 우수한 특성으로 인해 결정질 실리콘 태양전지 혹은 CIGS 박막 태양전지와 융합해 탠덤 태양전지로의 활용도 예상된다.

다음으로 경량, 투명, 컬러, 유연 등의 특성을 가지는 다기능 태양전지의 경우 스테인리스스틸, 폴리며, UTG 등 플렉시블 기판 위에 CIGS 화합물 박막이나 페로브스카이트 태양전지 구현해 가볍고 유연한 태양전지를 만들거나 빛의 일부를 투과시키는 반투명 태양전지 그리고 다양한 색깔을 보이는 태양전지 등이 있다.

이러한 태양전지는 향후 응용이 확대될 건물, 자동차, 항공 우주영역 등에까지 적용돼 탄소중립을 위한 태양광 발전 보급 확대뿐만 아니라 신산업 창출에도 기여할 것으로 예상된다.

- 태양전지 관련 연구원의 성과는?

▶ 우리 에너지기술연구원은 결정질 실리콘 태양전지, CIGS 박막 태양전지, 페로브스카이트 태양전지 등을 연구하고 있다.

먼저 결정질 실리콘 태양전지 기술이 글로벌 경쟁력을 갖출 수 있도록 지원하고 있으며 관련 업체와의 공동연구개발이 진행되고 있다.

현재 결정질 실리콘 태양전지는 전체 태양광 시장의 90% 이상을 점유하고 있고 태양광 관련 기업들의 생산이 이루어지고 있는 현재 진행형 기술이다.

또 차세대 결정질 실리콘 태양전지로 불리는 전하선택형 태양전지(TOPCon, tunnel oxide passivated contact)에 대한 기술을 개발하고 있으며 약 22%의 변환효율을 달성했다.

이러한 기술을 통해 향후 탠덤 태양전지의 하부 셀에 적용할 수 있는 기술로 가격절감과 고효율이라는 두 가지 목표를 달성하는데 기여할 것으로 예상된다.

특히 최근 이슈가 되고 있는 대면적 태양전지 및 모듈의 기반기술에 대한 연구도 국내 태양광 관련 업계들과의 공동연구로 진행 중이다.

다음으로 CIGS 박막 태양전지는 고효율화가 가능할 뿐만 아니라 다양한 기판에서 구현될 수 있다는 특성을 살려 우수한 심미성과 높은 에너지 생산성을 겸비한 다기능 고성능 태양전지 및 모듈 연구에 연구 역량을 쏟고 있다.

대표적으로 초경량 유연 금속 기판 및 폴리머 기판을 적용한 CIGS 박막 태양전지에서 20.8%의 고효율을 달성했고 셀 기준 무게당 출력비 3 kW/kg를 기록했다.

이러한 태양전지는 가벼우면서도 유연하여 변형이 가능하므로 설치에 물리적 제약이 따르는 주택, 건물(BIPV), 자동차(VIPV) 등에 폭넓게 응용 가능하다.

또 창호에 직접 적용이 가능한 투광형 CIGS 박막 태양전지를 제조해 효율 10.5%와 투과도 12.3%를 달성했으며 다양한 곡면에 적용할 수 있는 UTG(Ultra thin glass) 적용 양면형 유연 CIGS 박막 태양전지를 구현해 효율 13.23%(전면조사 1.0 sun+후면조사 0.3 sun 기준)를 얻었다.

향후 기술 개발 지속하여 창문 혹은 블라인드와 같은 창호형 태양광 모듈에 적용할 계획이다.

아울러 유연 CIGS 박막 태양광 모듈 연구도 진행하고 있는데 한국수력원자력, ㈜솔란드 등과 공동연구로 국내 최초 지붕형 초경량 유연 CIGS 박막 모듈의 KS 인증을 획득했다.

현재 이러한 목적에 따라 다양한 형태와 출력을 가지는 초경량 유연 태양광 모듈로 제품군 확장을 시도하고 있으며 일차적으로 공장 혹은 상업 시설의 지붕형 및 옥상형 태양광 시장에서 기회를 탐색하고 있다.

더 나아가 건물형, 자동차형, 창호형 태양광 시장에 포괄적으로 접근할 수 있는 다기능성 초경량 유연 태양광 모듈 기술로 사업화를 추진하고자 한다.

마지막으로 페로브스카이트 태양전지는 훌륭한 광전기적 특성을 가졌을 뿐만 아니라 저온공정으로 쉽게 제작이 가능하여 최근 가장 활발한 연구가 이루어지고 있고 있으며 국내 연구진들이 세계 최고효율을 연달아 갱신하면서 세계적으로 이 분야를 선도하고 있다.

최근에는 세계 최고 효율인 25.6%를 달성하였을 뿐만 아니라 새로운 정공수송층 물질을 적용해 소자의 안정성을 크게 향상시키는 기술을 개발했다.

이 연구는 전 세계 최고 권위의 학술지인 네이처(Nature)와 사이언스(Science)지에 각각 게재됐다.

또 다중접합 태양전지의 상부셀로 적용 가능하도록 현재 21% 이상의 효율을 낼 수 있는 투광형 페로브스카이트 태양전지 기술을 확보했다.

우리 연구원에서는 그간 개별적으로 이루어지던 서로 다른 태양전지 기술을 융합해 고효율 탠덤 태양전지를 구현하고자 하는 노력을 해오고 있다.

이 과정에서 하부셀은 결정질 실리콘 태양전지와 CIGS 박막 태양전지를 활용하고 상부셀은 페로브스카이트 태양전지를 공통으로 적용하고 있다.

특히 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 양면 수광 개념을 적용해 효율의 극대화를 꾀하고 있으며 현재 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 4단자형은 30% 이상의 양면수광 기대효율을, 2단자형은 25% 수준의 양면수광 기대효율을 달성했다.

현재 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 기존 단면 수광구조를 적용 중이며 약 21% 수준의 효율을 확보하고 있다.

태양광 분야 한국에너지기술연구원(KIER)의 연구성과를 설명하고 있는 태양광연구단 윤재호 단장. 위 모델은 ‘도시형 태양광을 적용한 플러스에너지하우스’ 이며 다기능 태양전지 적용을 설명하고 있다./ⓒ이기종 기자
태양광 분야 한국에너지기술연구원(KIER)의 연구성과를 설명하고 있는 태양광연구단 윤재호 단장. 위 모델은 ‘도시형 태양광을 적용한 플러스에너지하우스’ 이며 다기능 태양전지 적용을 설명하고 있다./ⓒ이기종 기자

- 태양전지 관련 연구방향은?

▶ 우리 연구원은 태양전지와 관련해 해당 기술이 단순 실험실 수준에 머무르지 않고 산업과의 연계가 되기 위해서 시장이 요구하는 수준의 대면적화 및 장기 안정성을 향상시키는 방향으로 기술 개발을 수행하려고 한다.

우선 결정질 실리콘 태양전지는 중국과의 가격격차를 줄이기 위해서는 무엇보다 기술혁신이 바탕이 되어야 한다.

이러한 기술혁신 관점에서 연구원이 할 수 있는 분석기술을 보다 고도화 하여 태양전지 양산라인의 효율적인 품질관리를 지원하고자 한다.

이를 통해 기업은 생산단가를 줄이고 불량의 원인에 대한 구체적 대응방안을 마련하여 생산수율을 높일 수 있을 것이다.

다음으로 25% 이상의 변환효율을 갖는 TOPCon 태양전지의 개발(2024년 25% 목표, M10 이상 대면적)을 통해 차세대 결정질 실리콘 태양전지에 대한 선제적 기술 확보와 함께 탄소중립의 실현을 앞당길 수 있도록 노력하겠다.

그리고 화합물 박막 태양전지 연구 방향은 크게 도심형 태양전지 고도화, 기술사업화가 가능한 박막 태양전지 대면적화 기술, 이종 태양전지와 융합한 한계돌파형 탠덤 태양전지 등으로 나눌 수 있다.

먼저 도심형 태양전지 고도화는 유연 기판(폴리머 혹은 금속 포일)적용해 CIGS 박막 태양전지에서 효율 23% 이상을 얻는 것이다.

그리고 대면적 투광형 태양전지에서 투과도 15%와 고온고습 신뢰성 시험 통과(온도85℃-습도85%-1000시간)를 충족하면서 효율 12% 달성을 목표로 하고 있다.

이 과정에서 박막 태양전지 대면적화 기술은 롤투롤(roll-to-roll) 공정을 적용할 수 있는 연속 CIGS 박막 제조 공정 및 관련 소재·부품·장비 기술을 포함한다.

이뿐만 아니라 초경량 유연 박막 태양광 모듈용 봉지화 기술도 함께 개발해 기술 사업화와 연계하고 있다.

태양광 모듈은 내부에서 작동하는 태양전지 어레이(서로 연결된 태양전지들)를 환경으로 보호할 필요가 있고 실제 발전 환경에서는 다양한 내·외부 요인들로 인해 물리적 화학적인 열화 현상을 겪게 된다.

따라서 모듈 내의 소자 및 도선 등을 보호하기 위해 태양전지 어레이와 도선을 감싸는 봉지화를 하게 된다.

전통적인 결정질 실리콘 모듈의 경우 화학적으로 매우 안정되고 견고한 유리를 이용한 봉지화 기술이 일반적으로 적용되지만 초경량 유연 박막 태양광 모듈의 경우 초경량 유연 폴리머 소재를 이용한 봉지화를 해야 한다.

그러나 유연 태양광 모듈의 경우 경량성과 유연성을 유지하기 위해 기존 유리 대신 폴리머 기반의 외부 보호막을 내부 태양전지 어레이와 도선에 견고하게 붙이는 기술 (lamination)이 필요하며 기술적 난이도가 기존 유리 기반 봉지화 기술에 비해 매우 높다.

마지막으로 유연 CIGS 박막 태양전지를 하부 태양전지로 하는 한계돌파형 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 구현하고 있고 효율 30% 이상 달성을 목표로 한다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지처럼 상용화가 되기 위해서는 장기안정성과 대면적화 기술이 반드시 확보되어야 한다.

지금까지 수분과 열에 취약한 특성을 해결하기 위해 첨가제를 넣거나 페로브스카이트 조성을 제어하는 연구들이 이루어졌으며 최근에는 소자의 봉지화 기술을 통해서 장기안정성을 크게 향상시킨 연구들이 진행됐다.

이에 KIER에서는 현재 페로브스카이트 태양전지로 주요 사용되고 있는 소재들의 원천적인 불안정성을 해결하고 20년 장수명을 확보하는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다.

이를 위해 납(Pb)의 독성 이슈를 해결하기 위해 납이 없으면서도 우수한 광전기적 특성을 가지는 페로브스카이트 원천소재를 발굴하고 이를 소자로 개발하고자 한다.

또 페로브스카이트 태양전지의 대면적화를 위해서 진공증착 시스템을 구축하고 있으며 이를 통해 고효율뿐만 아니라 다양한 구조의 하부셀에 적용 가능하며 안정성, 재현성을 향상시킬 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있다.

- 마지막으로 하고 싶은 말은?

▶ 탄소중립을 실현하기 위해서는 기본적으로 태양광의 보급이 확대되어야 하며 동시에 국내 산업의 경쟁력 또한 강화되어야 한다.

현재 글로벌 태양광 시장을 주도하고 있는 중국 등과의 경쟁에서 살아남기 위해서는 높은 기술력을 바탕으로 고부가가치 제품을 만드는 것이 중요하다.

결정질 실리콘 태양전지의 이론 효율을 뛰어넘는 결정질 실리콘, 페로브스카이트 탠덤 태양전지, 건물과 자동차에 적용가능한 차세대 스마트 태양전지 등이 그 대표적인 예이다.

특히 페로브스카이트 태양전지 등에서 국내 원천기술의 수준은 매우 뛰어나다.

이 원천기술을 활용한 상용화 기술의 확보가 관건이며 이런 측면에서 산업통상자원부와 대전광역시가 500억원 규모로 지원하고 한국에너지기술연구원이 추진하고 있는 태양광기업공동활용연구센터의 역할이 매우 중요하다.

우리 연구원은 현재 시장을 주도하고 있는 결정질 실리콘 태양전지뿐만 아니라 탠덤 태양전지, BIPV 모듈 등을 100 MW 라인을 기반으로 개발하고 검증함으로써 조기에 상용화 기술을 개발하는데 기여할 것이다.

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