IT 기획시리즈 IT 에너지 5 IT 기획시리즈 IT 에너지 5 태양전지중요성과발전동향 전용석한국전자통신연구원 IT-NT 그룹선임연구원 yjun@etri.re.kr 박헌균, 윤호경, 강만구, 김종대한국전자통신연구원 IT-NT 그룹 1. 태양에너지의중요성 2. 태양전지종류및효율 3. 발전방향 1. 태양에너지의중요성 수백만년전인류의역사가시작되던때부터태양은늘지구의에너지원으로사용되어왔으나, 당시에는태양이지구에주는역할을알지못한채숭배의대상이었다. 지구는그전부터그오랫동안태양에너지를석탄이나석유등의형태로저장해왔다. 현재, 우리는지구가몇백만년동안축적해온에너지를마구꺼내쓰고있으며, 시간이갈수록더많은에너지를요구하고있다. 지난몇백만년동안쌓아온에너지를겨우몇백년만에대부분을꺼내쓰고있는것이다. 이제또다시지구가태양에너지를쌓아줄몇백만년을기다릴수가없다. 가. 에너지소비현황 [1]-[2] 보고서별로 10% 정도의차이는있지만 DOE(Department of Energy, USA) 에따르면 2004 년세계의총에너지사용량은약 14~16TW(terawatt = trillion watts) 로추정되고있고, 이에너지사용량의 80% 가량이화석연료로부터얻어진것이다. 미국의 National Energy Policy 보고서에의하면이중 3.5~4TW 정도는미국이소비한것으로지구전체의 1/4 정도가미국한나라에서소모되고있다. 이중신재생에너지가차지하는비율은 2% 이하이다. 다시신재생에너지로는지열, 풍력, 해력, 태양열, 태양전지등의순서로얻어지고있다. 연도별총에너지사용량증가를보면 1980 년대 8TW 소비에서 90 년에 11TW, 2000 년에 * 본컬럼은한국전자통신연구원에서작성한내용입니다. 본내용과관련된사항은한국전자통신연구원 IT-NT 그룹전용석선임연구원 ( 042-860-5554) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 21
주간기술동향통권 1335 호 2008. 2. 27. 14.5TW, 2004 년에는약 16TW 로 10 년마다약 30% 정도증가하고있다. 이런추세로라면 2010 년즈음에 20TW 이상의에너지가필요할것으로예측가능하다. 나. 대체에너지필요성현재에너지소비의 80% 를차지하는화석연료의고갈이가까워졌다는보고는새롭지않다. 게다가그런이유로화폐와다르지않은석유가격이가파르게오르고있다. 굳이따진다면석유가에너지원으로만쓰이는것은아니지만, 플라스틱같은부산물때문에세계가석유를놓고전쟁을벌인다는것은믿기어렵다. 가까운시기의예를들자면, 근대화과정에서석유가필요했던일본이진주만을습격했다는설이나더가깝게는미국의이라크침공등, 에너지는이제돈과같이가진자와갖지못한자로나누는기준이되어버렸다. 에너지없이는국력을논할수조차없게되는현실이다가오는것이다. 자신들이사용할에너지를확보해두지못한다면, 새로운시대의식민지생활을받아들일날이올지도모른다. 또하나의큰이유로는지구온난화이다. 많은과학자들이화석연료사용의생산물인 CO 2 를온난화의주요원인으로보고하고있다. CO 2 가정말지구온난화의범인인지는알수없지만, 그렇다고믿지않은채결과를두고보자고기다릴수도없다. 알아볼수있는유일한방법은다시한번의재앙과빙하기를맞아보는것뿐이기때문이다. 지구온난화과정이진행중인것은명백하다. 예를들어남반구에서가장큰빙하인 Upsala 빙하의얼음밭들이현재는거의모두호수상태로바뀌어있다. CO 2 가태양빛중에서열선을흡수하는것은과학적으로이미상식이되어있다. 그러나열선을흡수하는것은 CO 2 뿐만이아니라, 공기중의수분도있다. 그외에도대부분의유기화합물은열선을흡수한다. 따라서대기오염전체가지구온난화를부추기고있다고해도과언이아니겠다. 게다가, CO 2 는물에녹으면물을산성으로만든다. 이는 CO 2 가물과합성되어 H 2 CO 3 를형성한다음 H + 와 HCO - 3 로해리되기때문이다. CO 2 의공기중농도가짙어지면서바다로녹아드는 CO 2 의양도늘고, 바다표면과심해와쉽게평형이이루어지지않는곳은산성화되게된다. 이렇게산성화된얕은바다의산호들은이미표백되고있다고한다. 산성비에도영향을준다. CO 2 는공기중에서는수분을만나같은이치로산성비를만들고다시강과바다로유입된다. 물론 NO x So x 등에의해서도비슷한영향으로산성비를초래한다. 이런이유들로인해화석연료를줄이자는노력이있어왔다. 대표적인것으로는 2005 년교토의정서로 CO 2 감축을위해각나라들이최선을다한다는내용이다. 지구온난화위험성을인류에경고한공로로 Al Gore 는노벨평화상을받았다. 우리나라는의무감축국은아니지만, 재 22
IT 기획시리즈 IT 에너지 5 앙을피해갈수있는나라도아니므로 CO 2 감축에최선을다해야할것이다. 다. 대체에너지종류 [2]-[5] 여러종류의대체에너지가있지만, 가장강력한대안으로언급되고있는것은핵분열을이용한원자력발전으로현재우리가필요로하는에너지의약 3% 정도를담당하고있다. 무한청정깨끗한에너지를표명하고있지만잠재된위험성이너무크다. 이러한위험성때문에독일, 미국등많은선진국에서는기존의원자력발전소외에추가건설을보류하고있다. 독일과영국등은 2006 년기준우리나라보다적은수의원자력발전소를가지고있으며, 우리나라가현재건설중이거나계획한것을고려하면, 곧우리나라는독일을제치고원자력발전세계 5 위국가가된다. 원자력발전소한기의발전용량은평균 1GW(gigawatt = billion watts) 로 2005 년기준핵발전용량은약 366GW 를이루고있다. 이는 1986 년체르노빌재앙당시보다약 100GW 증가한것으로이런속도로사용한다면국제적으로사용가능한핵연료는길어야 50 년을넘지않는것을보고되고있다 [3]. 이러한데이터를근거로하더라도인류가 1 년에사용하는약 15 TW 에공헌할수있는비율은크지않다. 신재생에너지로언급되는것으로는바이오, 풍력, 지열, 해양, 파도등을이용하는방법들이있다. 먼저바이오에너지의경우브라질의대규모에탄올생산같은것을예로들수있는데, 이경우 CO 2 감소에특별한영향을주지못한다. 석유생산의감소에는영향을줄수있지만, 에탄올역시탄소를주축으로하는유기분자이므로태우면 CO 2 가발생하게된다. 그러나이는대기의 CO 2 를흡수하여재생된에너지로고려 CO 2 의발생을무시한다하더라도광합성에의한식물의에너지축적은그효율이 0.3% 밖에안된다. 이런계산에의하면 20 TW 의에너지를얻기위해서는지구대륙의 30% 이상을식물을위한농장으로만들어야한다. 이런비현실적인응용을해결하기위해고효율고성장식물의개발에대한연구가진행중이지만, 기대하기어려운현실이다. 풍력에대한논의는아직의견이분분하다. 현재풍력에너지의생산가능성에대한계산법은점적계산법으로설치점의전력생산량을설치면적에비례시켜계산하는방식이다. 그러나풍력발전기가설치된경우, 후방에설치된풍력발전기는이미줄어든풍력을사용하게된다. 전방의발전기가효율적으로바람의에너지를뽑아낼경우선으로연결된풍력발전기가설치된다면그뒤쪽에서는에너지를얻을수없게된다. 이런선적계산법을이용하여재계산할경우풍력에너지는전체필요량에비해매우적은양만생산하게된다. 실계산예를보면, 미국의 23
주간기술동향통권 1335 호 2008. 2. 27. North Dakota 의유효면적에 5% 의공간을주면서전주에모두풍력발전기를설치할경우 1 년간겨우약 0.5TW 를얻을수있다고한다. 전세계에설치한다고하더라도 2~4TW 이상을얻기는힘들것이라는계산이다. 해양의파도에서에너지를얻는경우는더욱비현실적이다. 조력에너지와파력에너지, 온도차를이용한에너지의경우도 2030 년까지국내의확보예정량도겨우 2MW(megawatt=million watts) 로원자력발전소 1 기의 1GW 를비교로하더라도형편없다. 라. 태양에너지필요성 [2] Caltech 의 Lewis 는이질문에대해 Willie Sutton 원리 로대답하고있다. Willie Sutton 은미국의한은행강도로매우오랫동안잡히지않고많은은행을털었었다. 그가법정에서왜은행을털었냐는질문을받았을때, 거기에돈이있었기때문에 라고답했다. 유사하게 왜태양에너지라야하는가 라고묻는다면그건바로가장큰에너지원이거기있기때문이라고하겠다. 태양은지구에연간약 120,000TW 를제공한다. 시간으로계산한다면, 지구에오는에너지를 1 시간만받으면현재우리가 1 년간사용하는에너지를얻게되는것이다. 앞서보여준미국의에너지사용량인 3.5~4TW 를얻기위해서는약 10% 효율의태양전지를 Utah 주의 80% 정도만설치하면된다. 이처럼재생에너지중에서가장에너지원의크기가크며, 실현성도가장높은것이태양에너지의이용이다. 태양전지를이용하여전기를직접생산할경우, CO 2 의염려로부터자유로워짐은물론원자력발전과같은위험요소도없어서가장이상적인대체에너지로여겨지고있다. 이렇게모든것을해결해주는이상적으로보이는태양전지가왜재생에너지중에서도가장낮은 0.03% 의생산량만보여주고있는가? 전체에너지소비량을고려한다면태양전지의발전량은 0.0008% 에불과한양이다. 그이유는현재의발전단가이다. 2002 년미국의보고서에의하면 kwh 당발전단가는석탄, 석유, 풍력, 원자력등이모두몇센트에불과한데반해, 태양전지의경우는최고 50 센트까지로최소한 5 배이상의비용을지불해야한다. 일본의경우태양전지의설치비를지난 10 년간약 65% 이상감소시켰지만, 여전히다른발전방법에비해매우비싼상황이다. 발전단가를낮추기위한방법으로는대량생산과재료의저가화등다양한방법이있지만가장효율적인것은태양발전효율을높이는것이다. 태양전지의효율이 10% 증가되면비용이그만큼줄어들게되는것이다. 일반적인폴리실리콘태양전지모듈의경우현재약 6% 정도의효율을보이는데이효율이 7~8% 로증가하면 15~30% 정도의비용절감을이룰수있게되는것이다. 따라서효율을증대시키기위한노력이가장많이되고있다. 24
IT 기획시리즈 IT 에너지 5 2. 태양전지종류및효율 가. 현재개발진행중인태양전지종류 [6]-[7] ( 그림 1) 에는대표적인태양전지의효율증대가연대별로정리되어있다. Tandem 의효율증가를제외하면대부분획기적인약진없이완만한증가를보이고있다. 이중현재발전용을비롯한상업화길에들어선것은실리콘이대표적이다. 현재모든태양전지시장의 95% 이상을실리콘이차지하고있다. 단결정및다결정 Si 의경우모듈효율 12~15% 정도로높은것을장점으로시장의 80% 이상을차지하고있지만, 생산공정이상대적으로많이걸리는단점때문에시장점유감소가예상된다. 실리콘태양전지의가장큰라이벌로등장하고있는태양전지가구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을적절히조합하여제조하는 CIGS 이다. CIGS 의경우인듐원소의공급이불안정해서아직시장형성은크지않다. 최근미국최대의인터넷검색엔진사인구글이투자한 Nanosolar 의경우미국 Sandia National Lab. 으로부터기술이전을받은후, 프린팅의방식으로쉽게제작이가능한 CIGS 잉크를성공적으로개발하였다. 이로써구부림이쉬운전지개발은물론기존태양전지시장에도진출하였다. 그외에큰시장을가지고있는재료로는 CdTe 가있다. CdTe 는독성때문에일부국가에서규제를받기도하지만, 독일 Antec 과미국 First ( 그림 1) 대표적인태양전지효율증대표 25
주간기술동향통권 1335 호 2008. 2. 27. Solar 라는회사가주력으로생산판매하고있으며, Q-cell 등이기술연구중이다. GaAs 는단일태양전지로서는가장높은효율을내는태양전지이나, 집광형태양전지를사용하지않으면가격이너무높아서현재절대적으로필요한우주산업의경우외에는거의시장이형성되어있지않다. 그외, 염료감응태양전지는일반태양전지와달리반투명하고다양한색상접근이가능하다는점과상대적으로재료면에서저렴하다는장점을들어시장형성을준비중이나, 액체전해질을요구하는시스템의특성상의어려움을해결이요구되고있어현재이부분에대한연구개발이진행중이다. 각태양전지의구조는대부분 p-n 접합부분을중심으로전자와정공이생성된후분리되고, 회로를따라돌면서일을하게된다. 이런 p-n 접합태양전지는소수나르개 (minority carrier) 에의해그전류값이결정된다. 반면염료감응태양전지의경우다수나르개 (majority carrier) 의값에의해전류값이결정된다는점에서원리부터조금다르다. 빛을흡수하는것은염료로, 염료가들뜬전자를 TiO 2 의전도성띠 (conduction band) 에전자를넘겨주고회로를돌아반대전극에서전해질로전자가넘어가면, 전해질이전자를다시염료에게넘겨주는구조를따르는것으로보고되고있다. 1993 년부터 6 개월마다발표되는 progress in Photovoltaics 는실험실수준의단위태양전지와모듈의공인된효율을발표하고있다. 가장최근에발표된 2007 년 6 월자료에의하면실리콘의경우여전히 UNSW(Uiversity of New South Wales) M. Green 박사팀의단결정태양전지가 24.7% 의효율을보였으며, GaAs 의경우결정상태의 Kopin 사태양전지가 25.1% 를기록하였다. 최근다시관심을받고있는 CIGS 의경우 NREL(National Renewable Energy Lab) 의 18.8% 가최고기록이며, 염료감응태양전지로는 Sharp 의 10.4% 가공인된최고기록이다. 실제상용화가능한모듈의경우실리콘은 USG solar 의 9.8%, CIGS 는 Uppsala 대학의 16.6%, 염료감응태양전지는 Sharp 의 6.3% 등의기록이최고로알려져있다. 유기태양전지의경우, 최근 Allen J. Heeger 그룹에서 10% 내외를발표하였지만, 아직까지공식적인기록은 Sharp 의 3% 가전부이다. 나. 현재운용중인대표프로젝트 [8] Tandem 태양전지를제외하면, 각태양전지의한계는이미온것으로보고있다. 새로운이론의적용보다는고순도, 고가의재료를이용해효율을올리는것으로상업화를위해서는별의미가없다는견해가강하다. 이런상황에서새로운패러다임을제시한것으로는두가지형태가있다. 다양한빛을흡수하는층을이용하는 tandem 태양전지가그첫번째로, 비슷한전류의생 26
IT 기획시리즈 IT 에너지 5 성을이루는각각의태양전지를직렬로연결하는형태를이룬다. 이미높은효율을내고있지만, 더욱다양한조합을이루어최대한의태양빛을이용하려는노력이계속되고있다. 첫번째보다더파격적인또하나의시도로는매우저렴하고고효율의양자점을이용하는태양전지이다. 양자점을이용하는경우는다양한크기와특성의조합으로그동안불가능으로여겨졌던단일광자로한개이상의전자와공정쌍을생성함으로써효율을높이는것이다. 이는 Auger 가발견한현상을응용한것으로전이금지띠이상의빛이전자를생성하는데쓰인에너지외에추가적인열로버려지는에너지도모두전기로바꾸겠다는것이다. 나노입자들은다양한전이금지띠의에너지가크기혹은모양에의존하는현상을보인다. 이런대표적인물질로는 PbSe 가있다. 이런응용을성공적으로이끌기위해서는다양한나노입자들을합성하고, 그것들을잘조합하는일뿐만아니라, 나노입자들이빛을받아생성해낸전자나정공을효과적으로뽑아내는일이필요하다. 현재 NREL 과 LANL(Los Alamos National Lab.) 에서는이미다양한나노입자들을제조하여이현상을입증하였지만, 효율적으로회로까지뽑아내는일을성공시키지는못하고있다. 이에세계각석학들은현재다양한방법을이용하는시도를보이고있으며, 국내에서는가장처음한국화학연구원의석상일박사팀이과학기술부글로벌연구실사업으로이일을시도하고있고, 고려대학교의김동환교수연구팀역시최근연구를시작하였다. 각기관별에너지확보에대한프로그램도빠르게형성되고있다. 대표적인곳으로는 LBNL (Lawrence Berkeley National Lab.) 으로 UC at Berkeley, Berkeley West Biocenter 등과파트너를형성하여 Helios 프로젝트를 2007 년부터시작하고있다. 이프로젝트는 Paul Alivisatos 가연구책임을맞고있으며인공광합성과전기화학전지를이용하거나, 식물로부터직접수소및하이드로카본을생산하는것을연구하게된다. 또다른접근으로는 10 년내에자연에매우풍부한재료를이용하여저효율 ( 약 1%) 이더라도대량생산이가능한물질을찾아내는일을연구하게된다. 앞서설명한것처럼현재의식물광합성은그효율이 0.3% 정도에미치지않으므로 1% 효율은매우큰발전이라하겠다. 이런프로젝트를성공적으로수행하기위해서는나노과학의도움이절대적이다. 효율적은양자점이용을성공적으로이끌고, 반도체기술과융합접목시키는기술, 촉매기술등이조화되면 10 년내에가시적인성과를볼수있을것으로예견하고있다. 우리나라의경우이프로그램에대한공동연구를고려하고있으며, 현재기획단계에있다. 확정될경우결과의공동소유등의조건으로프로그램에참여하게된다. 2005 년에확정된태양전지의가장큰정부투자금은 University of Delaware 가확보하였다. 이학교는 MIT, Harvard, Yale 등의대학연합과 BP 등의에너지대기업과함께수행하고있다. 10 년간효율을두배 ( 약 50%) 로증가시키겠다는목표로시작된이프로젝트는대부분의 27
주간기술동향통권 1335 호 2008. 2. 27. 결과물을군사적으로이용할의도로표명하고있다. 단결정실리콘태양전지의기록을계속경신하고있는호주의 UNSW 의 Green 교수팀역시새로운기술의선두주자로나서고있다. 단결정실리콘의최고효율을보유하고있는이팀은현재나노입자를이용한효율극대화를시도중이다. 또한 GaAs 태양전지의제조비용을낮추는연구도시작하였다. GaAs 의경우고가의 GaAs wafer 에증착방법으로태양전지를제조하는데, lift-off 방법을이용하여기판의가격을낮추고, 만들어진태양전지에빛을효율적으로가두어사용할수있는방법을연구중이다. 3. 발전방향태양광에너지의확보는단순한에너지수급의문제를넘어서, 국가의안정과밀접한관련이있음을다시강조할필요는없을것이다. 21 세기신재생에너지시장을선점하려는각국은시장형성과연구개발을무기로소리없는전쟁을시작하였다고할수있다. 대부분태양전지의원천기술의소유권은이미소멸되었으나, 효율증대를위한신개념추가기술을먼저확보하고자하는노력이이제막시작되었다. 특히나노기술을접목시키는태양전지의경우그시작이미미하여더늦기전에따라잡지않으면 NT 강국의자리를확보할수없게된다. 이를위해서는정부의절대적지원과산ㆍ학협동연구를통한효율증대와재료비감소라는두마리토끼를모두잡는노력이절실하다. 나노기술이접목된태양전지의경우, 국제적시작이아직걸음마수준임과우리나라의 NT 기술의우수성을고려한다면아직늦지않았다. 기존태양전지의시장형성과더불어신기술을통한효율혁신을이룬다면, 상업화과정은국가보조금이폐지되더라도어렵지않을것으로확신한다. < 참고문헌 > [1] U.S. Government Printing Office, National Energy Policy, 2001. 5. [2] MRS Bulletin, Powering the Planet, 2007. 10. [3] JAIF, 원자력발전산업회의 [4] WISE/NIRS, Nuclear Monitor [5] 해양수산부, 해양한국 (Ocean Korea 21), 2003. 2. [6] NREL, Best Research-cell efficiencies, 2007. [7] prog. Photovolt. Res. Appl., Solar Cell Efficiency Tables(version 30), 2007. 6. [8] PVSEC 17, 17th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, 2007. 12. 28