최신 태양광 패널 기술의 발전과 밝은 미래
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짐 해리슨(Jim Harrison), 마우저 일렉트로닉스
2024년 1월 24일
이전에는 첨단 우주선이나 일부 최신 기기에서만 볼 수 있었던 태양 에너지는 놀라운 변화를 겪었다. 지난 10년 동안 태양 에너지는 틈새 동력원에서 미국을 비롯한 세계 에너지 환경의 근본을 이루는 주축으로 탈바꿈했다.
지구는 전 세계 평균 전력 수요의 10배가 넘는 약 17만 3,000 테라와트(TW)에 달하는 태양 복사를 지속적으로 받고 있다.[1] 이는 태양 에너지가 인류의 모든 에너지 수요를 충족시킬 수 있다는 것을 의미한다.
2023년 상반기 태양 에너지의 기여도는 미국 전체 발전량의 5.77%로 4.95%였던 2022년에 비해 증가했다.[2] 화석 연료(주로 천연 가스 및 석탄)는 2022년 미국 에너지 발전량의 60.4%를 차지했지만,[3] 태양 에너지의 영향력이 커지고 태양광 기술이 빠르게 발전하고 있다는 점은 주목할 만한 일이다.
태양전지 종류 알아보기
오늘날 태양 전지(태양광(PV) 전지라고도 함) 시장은 결정질, 박막을 비롯하여 차세대 기술로 무장한 태양전지가 주를 이루고 있다. 각각은 효율성, 비용, 수명에 있어서 성능상 이점을 가진다.
결정질
대부분의 가정에서 사용되는 지붕 장착형 태양광 패널은 고순도 단결정 실리콘으로 만들어진다. 이 전지 유형은 근래 26%가 넘는 효율과 30년 이상의 내구성을 달성했다.[4] 오늘날 실제로 가정용에서 달성할 수 있는 최고 효율은 22% 정도이다.
다결정 실리콘은 단결정 실리콘보다 가격이 저렴하지만 효율성이 낮고 수명이 짧다. 효율성이 낮다는 것은 더 많은 패널과 더 넓은 면적이 필요하다는 것을 의미한다.
다중 접합 갈륨비소(GaAs) 기술 기반 태양전지는 기존 태양전지에 비해 효율이 높다. 이 전지는 갈륨인듐인화물(GaInP), 인듐갈륨비소(InGaAs), 게르마늄(Ge) 등 다양한 소재의 층을 사용하며, 각 층은 다양한 파장의 햇빛을 흡수하도록 설계되어 있다. 이 같은 다중 접합 전지는 고효율을 달성할 수 있음에도 불구하고 높은 제조 비용과 추가 연구 개발의 필요성이라는 과제에 직면해 있어 현재는 상업적 실행 가능성이나 실질적인 적용 사례가 매우 적은 편이다.
박막
세계 시장의 주요 박막 제품은 카드뮴 텔루라이드(CdTe) PV 모듈로, 수백만 개의 모듈이 전 세계적으로 설치되어 있으며 주로 미국의 유틸리티 규모 발전소에서 30GW 이상의 최대 발전 용량을 제공한다. 그러나 카드뮴의 독성과 텔루라이드의 가용성에 대한 우려가 존재한다. 이 박막 기술의 경우 1m² 크기의 태양광 모듈이 AAA 크기의 니켈 카드뮴(Ni-Cd) 배터리보다 카드뮴 함량이 낮다. 또한 태양광 모듈 내의 카드뮴은 물에 녹지 않고 최대 1200°C까지 안정적인 텔루르에 결합되어 있다. 이 같은 특성은 박막 전지에 CdTe를 사용할 때 발생하는 독성의 위험을 완화한다.
텔루르(Tellurium)는 지각에 약 0.001ppm의 양으로만 존재한다. 지각에서 백금이 희소한 것처럼, 이 원소는 CdTe 모듈 단가에 커다란 영향을 미친다. 하지만 재활용은 텔루르의 희소성에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다.
CdTe 모듈은 최대 18.6%의 효율을 제공하며 실험 상 전지의 효율은 22% 이상이다.[5] 오래된 구리 도핑을 비소 도핑으로 대체하면 모듈 수명이 결정질 전지와 비슷한 수준으로 크게 향상된다.
차세대 기술
1μm 미만의 초박막과 간단한 증착 기술을 활용한 차세대 태양광 기술은 생산 비용을 낮추고 태양전지용 고품질 반도체를 제공할 것으로 기대된다. 이들은 Si, CdTe, GaAs와 같은 기존 소재에 대한 잠재적인 경쟁 소재로 부상 중이다.[6] 여기서 주목할 만한 세 가지 박막 기술은 구리 아연 주석 황화물(Cu2ZnSnS4 또는 CZTS), 인화 아연(Zn3P2), 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)이다. 실험상 구리 인듐 갈륨 셀렌화물(CIGS) 태양전지는 22.4%라는 놀라운 효율 피크를 달성했다. 하지만 이 같은 효율성 수준을 상업적 규모로 재현하는 것은 여전히 어려운 과제이다.[7]
가장 눈에 띄는 차세대 태양광 기술은 납 할로겐화물 페로브스카이트 박막 전지이다. 페로브스카이트는 전형적인 화학식 ABX3을 갖는 결정 구조를 가진 물질의 일종이다. 이는 주로 티탄산칼슘(CaTiO3)으로 구성된 노란색, 갈색 또는 검은색 광물이다. 영국 옥스포드 PV의 상업용 크기의 페로브스카이트-온-실리콘 탠덤 태양전지는 28.6%의 기록적인 효율을 달성했으며, 2023년부터 생산에 들어갔다.[8]
불과 몇 년 만에 페로브스카이트 태양전지는 기존의 CdTe 박막 전지와 비슷한 효율을 달성한 것이다. 초기 페로브스카이트 R&D에서는 수명이 몇 개월 단위로만 측정되어 커다란 문제였다. 하지만 몇 번의 수정을 거쳐 최근에는 수명이 25년 이상으로 연장되었다. 현재 페로브스카이트 태양전지는 저온에서 높은 변환 효율(25% 이상)과 저렴한 생산 비용을 자랑한다.
표 1 은 실험실 R&D 테스트를 통한 주요 전지 카테고리에 대한 변환 효율을 보여준다.
표 1: 주요 태양전지 기술에 대한 실험실 테스트 결과 취합 목록. (출처: 저자)
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태양광 기술 |
변환 효율 |
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전지 |
모듈 |
||
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결정질 |
단결정 실리콘 |
27.6% |
24.4% |
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다결정 실리콘 |
23.3% |
20.4% |
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다중 접합 GaAs |
47.6% |
38.9% |
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박막 |
CdTe |
22.3% |
19.5% |
|
CIGS |
23.6% |
19.2% |
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차세대 |
페로브스카이트/실리콘 탠덤 |
33.7% |
— |
|
페로브스카이트 |
26.0% |
17.9% |
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유기 |
19.2% |
13.1% |
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2023년 30억 달러 규모인 차세대 태양전지 시장은 2028년까지 74억 달러로 확대되어 19.5%의 연평균 성장률(CAGR)을 기록할 것으로 예상된다.[9]
통합형 태양광 패널 구축하기
어떤 태양전지 제품들은 가시광선은 통과시키면서 태양 스펙트럼의 일부만 포착하도록 설계되었다. 염료감응형 태양전지(DSC)라고 알려진 이 투명 전지는 1991년 스위스에서 발명되었다. 최신 연구 개발로 DSC의 효율성이 높아짐에 따라 이러한 태양광 패널이 시장에 출시되기까지는 그리 오랜 시간이 걸리지 않을 것이다.
일부 기업들은 유리 내 폴리카보네이트 층간에 무기 나노 입자를 주입하는 방식을 사용한다. 이 기술의 나노 입자들은 빛 스펙트럼의 특정 부분을 유리의 가장자리로 돌려 대부분의 스펙트럼이 통과하도록 한다. 유리 가장자리에 모인 빛은 태양전지에 의해 활용된다. 또한 투명한 태양열 창문과 건물 외관에 페로브스카이트 박막 소재를 적용하기 위한 연구가 진행 중이다.
태양광에 필요한 원자재
향후에는 태양광 발전 생산을 늘리기 위한 실리콘, 은, 구리, 알루미늄과 같은 필수 원자재 채굴에 대한 수요가 증가할 것이다. 미국 에너지부는 전 세계 금속 등급 실리콘(MGS) 생산량의 약 12%가 태양광 패널용 폴리실리콘으로 가공된다고 밝혔다.[10]
중국은 이 분야의 선두주자로, 2020년 기준 전 세계 MGS의 약 70%, 전 세계 폴리실리콘 공급량의 77%를 생산했다.[11] 실리콘을 폴리실리콘으로 변환하는 공정은 매우 높은 온도가 필요하다. 중국에서는 이 같은 공정에 주로 석탄이 사용된다. 석탄이 풍부하고 전기료가 저렴한 것으로 알려진 중국 신장 지역에서 생산되는 폴리실리콘 생산량은 전 세계에서 45%를 차지한다.[12]
태양광 패널 생산은 전 세계 은의 약 10%를 소비한다. 멕시코, 중국, 페루, 칠레, 호주, 러시아, 폴란드에서 주로 이루어지는 은 채굴은 중금속 오염, 지역 사회 이주 등의 문제를 일으킬 수 있다.
구리 및 알루미늄 채굴 또한 토지 이용에 있어 해결해야 할 과제이다. 미국 지질조사국에 따르면 칠레가 전 세계 구리 생산량의 27%를 차지하고 있으며, 페루(10%), 중국(8%), 콩고민주공화국(8%)이 그 뒤를 잇는다. 국제에너지기구(IEA)는 2050년까지 전 세계가 100% 재생 에너지로 전환하는 데 있어 태양광 에너지 프로젝트에서 구리에 대한 수요가 약 3배 가까이 증가할 것이라고 전망한다.[13]
맺음말
언젠가는 태양 에너지가 인류의 주 에너지원이 될까? 비용은 낮아지고 있으며, 효율성은 높아지고 있다. 하지만 채택할 수 있는 기술은 매우 다양하게 존재한다. 언제쯤 되어야 한두 가지 기술로 통합되어 실제로 활용될 수 있을까? 전력망에는 어떻게 통합되는 것일까?
태양광 에너지가 특수 전력원에서 주 전력원으로 진화한 점은 에너지에 대한 인류의 수요, 또는 그 이상을 충족할 수 있다는 방대한 잠재력을 보여준다. 현재는 결정질 태양전지가 시장을 지배하고 있지만, 박막 태양전지나 CdTe, 페로브스카이트와 같은 차세대 기술의 발전으로 인해 보다 효율적이고 통합된 태양전지 애플리케이션을 위한 길이 열리고 있다. 원자재 추출이 환경에 미치는 영향이나 생산 병목 현상과 같이 고려해야 할 과제들이 아직 남아 있지만, 이 분야의 빠른 성장과 혁신은 시간 문제이다.
기술 발전과 지속 가능한 실습의 적절한 균형을 통해 태양 에너지는 깨끗하고 풍요로운 에너지의 미래를 장려하며, 미국 에너지 믹스(Energy Mix)에서 주목할만한 성장을 반영하고 지속 가능한 솔루션으로서의 글로벌 잠재력을 보여줄 것이다.
출처
[1] “Energy on a Sphere.” US National Oceanic and Atmospheric Administration, Science on a Sphere. Accessed January 16, 2024. https://sos.noaa.gov/catalog/live-programs/energy-on-a-sphere/. Michelle Lewis, “In a New Milestone, Renewables Generated 25% of US Power in the First Half of 2023,” Electrek, August 25, 2023, https://electrek.co/2023/08/25/renewables-25-percent-us-power-first-half-2023/. “What Is U.S. Electricity Generation by Energy Source?” Frequently Asked Questions (FAQs) - U.S. Energy Information Administration (EIA). Accessed December 20, 2023. https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=427&t=3. JinkoSolar, “JinkoSolar’s High-Efficiency N-Type Monocrystalline Silicon Solar Cell Sets New Record with Maximum Conversion Efficiency of 26.89%,” news release, October 30, 2023, https://ir.jinkosolar.com/news-releases/news-release-details/jinkosolars-high-efficiency-n-type-monocrystalline-silicon-3. 255, (June 2023), https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112289. 358, Issue 6364 (November): 739-744, https://doi.org/10.1126/science.aam6323. Grant Morris, “Thin-Film Solar Panels: What You Need to Know,” EnergySage, accessed January 17, 2024, https://www.energysage.com/solar/types-of-thin-film-solar-panels/. Oxford PV, “Oxford PV Sets New Solar Cell World Record,” news release, May 24, 2023. https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-cell-world-record. “Next-Generation Solar Cell Market Size, Share, Industry Report, Revenue Trends and Growth Drivers, 2030,” MarketsandMarkets, June 2023, https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/next-generation-solar-cell-market-94742566.html. US Department of Energy, Solar Photovoltaics: Supply Chain Deep Dive Assessment, February 24, 2022, https://www.energy.gov/sites/default/files/2022-02/Solar%20Energy%20Supply%20Chain%20Report%20-%20Final.pdf. Ulrik Fugmann, Edward Lees, “What You Need to Know about Polysilicon and Its Role in Solar Modules,” ViewPoint, October 27, 2023, https://www.bnpparibas-am.com/viewpoint/what-you-need-to-know-about-polysilicon-and-its-role-in-solar-modules/. Dan Murtaugh, “Why It’s so Hard for the Solar Industry to Quit Xinjiang,” Bloomberg.com, February 10, 2021, https://www.bloomberg.com/news/articles/2021-02-10/why-it-s-so-hard-for-the-solar-industry-to-quit-xinjiang. IEA, The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions, 2021, https://www.iea.org/reports/the-role-of-critical-minerals-in-clean-energy-transitions
[2]
[3]
[4]
[5] Michael A. Scarpulla, Brian McCandless, Adam B. Phillips, Yanfa Yan, Michael J. Heben, Colin Wolden, et al. "CdTe-Based Thin Film Photovoltaics: Recent Advances, Current Challenges and Future Prospects," Solar Energy Materials and Solar Cells
[6] Juan-Pablo Correa-Baena et al., "Promises and Challenges of Perovskite Solar Cells," Science
[7]
[8]
[9]
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[11]
[12]
[13]
저자 소개
짐 해리슨(Jim Harrison)은 전자 공학자로 1989년부터 산업 자동화 및 과학 기기 회사에서 선임 설계 엔지니어링 직책을 수행했다. 2004년 그는 글을 집필하기 시작했고 Electronics Products Magazine의 Hearst Business Media에서 선임 편집자로 근무했다. 그는 현재 Lincoln Technology Communications의 컨설턴트이다.