최신기술동향 - 태양광 2018. 8. 16.
Ⅰ. 기술개요 01 기술정의 반도체혹은염료, 고분자등의물질로이루어진태양전지에빛에너지를받으면반도체가갖는광전효과에의해전기에너지가발생되는신재생에너지기술 태양전지는전기적성질이다른 N형반도체와 P형반도체를접합시킨구조태양전지에빛을비추면반도체내의전자 (-) 는 N형반도체로, 정공 (+) 은 P형반도체로이동함에따라 N극과 P극과사이에전위차 ( 광기전력 ) 가발생하게되고, 이때태양전지에전구나모터와같은부하를연결하면전류가흐르게되는원리 태양광발전시스템
02 기술종류및장단점 ( 실리콘태양전지 ) 결정질실리콘태양전지, 비결정질실리콘태양전지를포함하며, 결정질은에너지효율이높은반면제조단가가높고비결정질의경우장비의존적이며공정기술이어려움 현재 Rooftop/Utility 발전시장은결정질 ( 단결정 / 다결정 ) 실리콘태양전지모듈이점유하고있으며, 20년동안초기출력대비 80% 이상출력발생보증최근효율상승및제조공정개발로인해모듈단가 (0.5USD/W) 하락하여박막태양전지모듈과동일단가를형성 단결정실리콘태양전지구조
( 박막태양전지 ) 실리콘대신유리, 스테인리스스틸등저가의기판을소재로한박막형태의태양전지로원료에따라실리콘박막태양전지, CdTe, CIGS 박막태양전지, 염료감응, 유기태양전지등을포함하며, 실리콘태양전지에비해단가가저렴하나제조공정이복잡하고에너지효율이낮음 CdTe 태양전지의기본구조
( 차세대태양전지 ) 실리콘태양전지를 1 세대, 박막태양전지를 2 세대로분류 할때, 고효율화합물반도체와페로브스카이트를 3 세대태양전지로구분 할수있으며, 고효율, 저가, 친환경이장점 태양전지기술별장단점 구분단계장점단점 실리콘태양전지 결정질비결정질 높은산업점유율생산기술안정성낮은제조단가기판소재비용이저렴 기판소재비용이저렴대량생산에적합제조시에너지소비량이적음 높은제조단가복잡한제조공정 장비의존적공정기술어려움높은장비비용 실리콘박막 대면적양산가능 낮은효율응용산업부족 CdTe 양산가능가격경쟁력확보 독성물질사용원소부존량부족 박막태양전지 CIGS 염료감응 높은효율 친환경성낮은제조단가경사각과저광량에서도효율유지반투명및다양한형태제작가능롤투롤공정이용한양산가능 제조공정복잡고가의원소사용 낮은효율누액가능성타기술과의텐덤화어려움 유기 저가공정가능가격경쟁력 낮은효율신뢰성확보어려움 차세대태양전지 고효율화합물 페로브스카이트 높은효율 저가의소재높은효율초박막가능, 플렉시블화용이 갈륨비소의원재료비높음고가격증착장비필요 수분취약성납에대한독성
03 제조공정 ( 실리콘태양전지 ) 폴리실리콘을가공하여잉곳, 웨이퍼를만들고, 웨이퍼 를투입해셀을, 셀을어레이하여모듈을만들어전력제어장치를활용하여최 종적으로태양광시스템을설치하는과정을따름 실리콘태양전지제조공정 ( 박막태양전지 ) 투명전도성또는금속기판위에실리콘박막, 화합물박막, 염료감응박막및유기물박막을증착시켜광흡수층으로사용하며, 화합물을광흡수층물질로사용한태양전지 ( 실리콘박막태양전지 ) 투명전극을포함한기판준비, 실리콘박막증착및패턴형성과정을통한소자제조, 유리기판에증착하고표면조직화 (texturing) 하는패키징으로구성 (CdTe) CdTe와의접합 ( 동종접합, 이종접합 ) 을바탕으로전면투명전극과배면전극으로구성되며, CdTe는진공증착법, 근접승화법, 스퍼터링, 화학기상증착법, 열분해법등을통해증착
CdTe 유연태양전지제조공정 출처 : W.-O. Seo, D. Kim, and J. Kim, Opt. Express, 23, A316 (2015). (CIGS) 유리기판위에후면전극소재, 광흡수층 (CIGS), CdS 버퍼층, ZnO 투명창층, 무반사층과그리드전극을형성하여제작하며, CIGS 흡수체의제조방법으로는동시진공증발법 (coevaporation) 과스퍼터링 ((Sputtering) + 셀렌화법 (selenization), 화학기상증착법 (Chemical Vapour Deposition, CVD), 비진공방식 (non-vaccum method) 등이있음 - 셀렌화법은간단한증착방법으로금속전구체를형성하고 Se, S 등과같은칼코지나이드원소와반응시키는공정으로, 넓은면적의균일한박막을얻을수있으면서도공정온도가낮아에너지회수시간 (Energy Pay Back Time, EPBT) 단축가능 - 화학기상증착법은다양하게적용되는증착기술로대면적공정에적합 CIGS 박막태양전지의기본구조및제조공정
( 염료감응태양전지 ) 염료감응태양전지의기본구성은광전극 (photoelectrode, PE), 상대 전극 (counter electrode, CE) 및전해질로이루어져있으며, 광전극층에염료를흡착하여 제조 염료감응태양전지제조공정개략도 ( 유기태양전지 ) 롤투롤 (Roll-to-Roll) 공정, 그라비어인쇄 (gravure printing), 스크린프린팅 (screen printing), 슬롯다이코팅 (slot-die coating) 또는스프레이코팅 (spray coating) 공정으로구성 차세대태양전지 ( 고효율화합물반도체 ) 화합물반도체층과분리층을각각번갈아연속적으로성장시켜한장의웨이퍼위에여러층의박막을다층구조로증착 - Ⅲ-Ⅴ족화합물반도체로다중접합태양전지를제작할경우태양광파장대역을몇개대역으로나누어흡수할수있는서로다른에너지밴드갭 Eg1, Eg2, Eg3 의물질로구성되는다수개 p-n 접합의적층구조 - 에너지밴드갭이서로다른물질에서태양광파장을각각흡수함으로써태양광파장대역의대부분을손실없이흡수가능 ( 페로브스카이트 ) 페로브스카이트는 ABX 3 화학식의결정구조를가지는모든물질을말하며, 페로브스카이트태양전지는 12배위를하는 A자리에메틸암모늄과같은유기양이온을갖는할로겐화금속계페로브스카이트광흡수체를스핀코팅, thermal evaporation 또는 doctor blade 등을이용하여코팅
페로브스카이트구조를이용한태양전지소자형태
04 Value Chain 구분 Value Chain 원료중간재셀모듈시공 품목 - 폴리실리콘 - Metal Powder - 기타원부재료 - 실리콘잉곳 - 실리콘웨이퍼 - Metal Paste - Target - 공정단계 - 패키징 - 설치 - 점검 - 유지보수 결정질실리콘태양전지 국외기업 국내기업 - GCL - Wacker - Hemlock - OCI - 한국실리콘 - 한화케미칼 - GCL - Renesolar - Yingli Solar - 넥솔론 - 웅진에너지 - 오성 LST - 희성소재 - 나노시스 - 삼성 SDI - 대주전자 - 동진세미켐 - LS-Nikko - Yingli Solar - Trina Solar - JA Solar - Suntech - 한화큐셀 - 현대중공업 - 신성솔라 - LG 전자 - 한화큐셀 - GS E&R - DCT - Yingli Solar - Trina Solar - Suntech - 한화큐셀 - 현대중공업 - LG CNS - 에스에너지 - KD파워 - LG전자 - 에스에너지 - 신성솔라 - 서브원 - 한화큐셀 - KC코트렐 - 한솔테크닉스 - 신성솔라 - JSPV - 한화 S&C - LS산전
구분 Value Chain 원료중간재셀 / 모듈시공 품목 - 기판 - CdTe 셀 / 모듈 CdTe 국외기업 국내기업 - First Solar - First Solar - Calyxo GmbH 구분원료중간재셀 / 모듈 품목 - CIGS 원료분말 - 기판 - Target - CIGS 셀 / 모듈 CIGS 국외기업 국내기업 - Solar Frontier - Hanergy - Nanosolar - 희성소재 - 삼성코닝 - 코오롱 - 한국쓰리엠 - KCC - LG 이노텍 - 대양금속 - 현대아반시스 염료감응 구분원료중간재셀모듈시공 품목 - TiO 2 광전극 - 염료 - 전해질 - 상대전극 - TCO 기판 - 실링재 - TiO 2 paste - 스크린프린터 - 열처리로 - 염료흡착장치 - 전해질주입기 - 실링 - 어셈블리장치
국외기업 - Dyesol - Solaronix - Dyesol - SONY 국내기업 - 동진세미켐 - 이앤비코리아 - 동진세미켐 - 동진쎄미켐 - 상보 - 이건창호 - 이건창호 구분원료중간재셀모듈시공 품목 - 광활성층재료 - 기판 - 투명전극용소재 - Cathod 전극소재 - 광활성분산액 - 기판 - 투명전극 - Cathod 전극 - 단일층 - 이층 - heterojunction - Tandum - Inverted - R2R printing 유기 국외기업 국내기업 - Konarka - Solamer - Sumitomo - Haliatek - CDT - Merck - Teijiin - Toray - Mitshbishi - Risce DTU - CDT - 코오롱
Ⅱ. 기술개발동 향 01 국외기술개발현황 국외 R&D 투자현황 국가별전체 R&D 대비태양전지부문 R&D 투자현황 - ( 미국 ) 2014년기준전체국가 R&D 투자액은 6,315.524백만달러이며, 이중태양전지부문 R&D 투자액은 129.449백만달러로 8% 를차지 - ( 일본 ) 2014년기준전체국가 R&D 투자액은 3,271.232백만달러로, 태양전지부문 R&D 투자액은 115.176백만달러로 4% 를차지 - ( 독일 ) 2014년기준전체국가 R&D 투자액은 1,117.962백만달러이며, 이중태양전지부문 R&D 투자액은 111.292백만달러로 3% 차지 2011-2014년도태양전지부문 R&D 예산투입현황 ( 단위 : 백만달러 ) 연도 미국 영국 호주 일본 독일 캐나다 2012 202.903 15.326 90.448 142.575 109.114 19.74 2013 225.406 17.456 245.445 120.665 97.306 21.329 2014 129.449 0 27.684 115.176 111.292 27.13 산업동향및연구동향 실리콘태양전지 - ( 결정질실리콘태양전지 ) Panasonic( 日 ) 에서 144mm2의면적에서 HBC(Heterojunction Back Contact) 구조로세계최고효율인 25.6% 효율
의결정질태양전지를개발하였고, 현재 Yingli Solar( 中 ), Trina Solar( 中 ) 등중국업체가강세 Trina Solar( 中 ) 는 P형 HP-multi 기판을사용하여 18.6% 이상효율의태양전지를생산하였고, 2015년 11월 P형 HP-multi 기판을사용하여 25.15% 의변환효율기술달성, P형 mono 기판에 PERC 기술을적용하여 21.4% 효율달성 (2014년), PERC 기술적용 20.3% 양산 Sunpower( 美 ) 는 IBC(Interdigitate Back Contact) 셀구조를개발하여 N형 mono 기판에 23% 대효율의태양전지를생산하여고출력모듈제품개발 Yingli Solar( 中 ) 는 N형 mono 기판을사용하여 20% 이상효율의태양전지로 600MW 이상의전력을생산하였으며, HP-multi 기판을적용하여 19% 효율기술개발 NSP( 대만 ) 는 P형 mono 기판에 PERC 기술을적용하여 21.1% 효율제품생산 JA solar( 中 ) 는 HP-multi 기판을적용하여 18.6% 이상효율의태양전지를생산하였으며, PERC 기술을적용하여 HP-multi에서 20% 효율기술개발 Jinko Solar( 中 ) 는 HP-multi 기판을사용하여 18.2% 효율, P형 mono 기판을사용하여 19.6% 효율의태양전지를생산하였고, PERC 기술을적용하여 20% 이상효율기술개발 Fraunhofer( 獨 ) 은 N형 mono 기판에 TOPCon(Tunnel Oxide Passivated Contact) 구조로 25.13% 효율을기록하였으나, 생산성향상을위해연구개발진행중 UNSW( 호 ) 는 24.8% 효율의 PERL(Passivated Emitter Rear and Locally Diffused) 셀을개발하였으나, 경제성및생산성문제로상용화어려움 - ( 비결정질실리콘태양전지 ) Panasonic( 日 ) 에서 HIT 기술로 22% 이상의 Bifacial 구조의태양전지를생산하고있으며, 2015년 Silevo( 美 ), Kaneka( 日 ), Sunpreme( 中 ), Choshu( 日 ) 등에서투자를발표하고있으나, Silevo( 美 ) 이외에는직접투자가보류되고있음 Choshu( 日 ) 은 HIT 태양전지연구개발을통해 23% 변환효율기술개발 IMEC( 벨 ) 는 Hybrid SHJ 구조를적용하여 20.8% 효율기술개발 TEL Solar( 日 ) 는 2014년탠덤형대면적모듈로 12.24% 의효율을달성하 13
기도하였으나현재는시장상황등을고려하여기술개발이중지된상태 HyET Solar( 네 ) 는 Al 기판위에제작된태양전지를값싼고분자필름에전사 시키는방식을이용한롤투롤공정을통하여플렉서블실리콘박막태양 전지모듈을제작하고있으며, 비정질실리콘을기반으로한단일접합에서약 7% 효율을, 비정질 / 미세결정질의탠덤구조에서약 10% 효율을달성 Power film( 美 ) 는비정질실리콘을사용한플렉서블박막태양전지패널을 제작ㆍ공급하고있으며, 고분자기판을사용하고 monolithic integration 을통 한모듈화를진행하여 5% 내외의모듈효율달성 박막태양전지 - ( 실리콘계박막태양전지 ) 유리기판형태의실리콘박막으로는 Sharp( 日 ), Kaneka( 日 ), 플렉시블기판으로는 Fuji Electric( 日 ) 등이고효율화를위한다 중접합기술, 광포획기술및생산성향상을위한고속증착, 대면적양산화 기술등이개발되었으나, 폴리실리콘가격하락으로상용화되지못함 Kaneka( 日 ) 는비정질및탠덤구조실리콘박막태양전지양산모듈을생산하 고있으며, 최근에는실리콘박막기술을결정질실리콘태양전지에접목 한 HIT 태양전지개발에집중하여 25.1%(aperture area 기준, 150 cm2 ) 의 효율을달성하였고 BIPV 및창호용으로사용되는 see-through 모듈을개발 하여공급중 - (CdTe 태양전지 ) 1990 년대중반부터효율측면에서의기술적정체상태이 나 First Solar( 美 ), GE 등글로벌기업들주도하에급격한효율향상이 보고되고있으며, 1) 최근에는재료과학및물리학적측면의연구는물론나 노소자및유연소자로의응용까지연구범위확대 First Solar( 美 ) 는 Vapor Transport Deposition 을이용하여성장시킨 CdTe 박막태양전지를제조하고있으며, 21.5% 효율 ( 소면적 ) 과모듈효율 17.0% 를달성하고 2017 년까지모듈효율을 18.9% 까지향상시킬계획 2) NREL( 美 ) 에서는 sputtering 공정을이용하여증착한 CdS:O 와저온 co-evaporation 공정을이용한 ZnTe:Cu 후면전극을도입하여 CdTe 유연 태양전지의효율을 14.05% 에서 16.4% 로향상 3) 1) http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg 2) M. A. Green, K. Emery, Y. Hishikawa, W. Warta, and E. D. Dunlop, Prog. Photovolt: Res. App l. 23, 805 (2015); http://investor.firstsolar.com/releasedetail.cfm?rele-aseid=833971 3) W. L. Rance, J. M. Burst, D. M. Meysing, C. A. Wolden, M. O. Reese, T. A. Gessert, W. K.
NREL 의 CdTe 유연태양전지전류 - 전압곡선 출처 : W. L. Rance, J. M. Burst, D. M. Meysing, C. A. Wolden, M. O. Reese, T. A. Gessert, W. K. Metzger, S. Garner, P. Cimo, and T. M. Barnes, Appl. Phys. Lett., 104, 143903 (2014). 베로나대학 ( 이 ) 의 Alessandro Romeo 그룹은 CdCl 2 처리공정에 FREON 처리공정을추가하여 15.3% 효율달성 4) Calyxo GmbH( 獨 ) 은 CdTe 모듈및턴키 (turnkey) 업체로 2014년 12월 14.3% 의모듈 (0.72m2, 13.5% full area) 효율을보고 5) 리버풀대학 ( 英 ) 의 Ken Durose 그룹은 CdTe 나노선을이용하여 core-shell 구조의 CdTe 태양전지를제작하여 2.49% 효율을달성하였고, 독성이높은 CdCl 2 처리공정을개선하기위해 MgCl 2 를이용한신공정을도입하여 13.50% 효율달성 6) 톨레도대학 ( 美 ) 의 Randy J. Ellingson 그룹은 FeS 2 나노결정으로 Cu 후면전 Metzger, S. Garner, P. Cimo, and T. M. Barnes, Appl. Phys. Lett., 104, 143903 (2014); H. P. Mahabaduge, W. L. Rance, J. M. Burst, M. O. Reese, D. M. Meysing, C. A. Wolden, J. Li, J. D. Beach, T. A. Gessert, W. K. Metzger, S. Garner, and T. M. Barnes, Appl. Phys. Lett., 106, 133501 (2015). 4) A. Salavei, I. Rimmaudo, F. Piccinelli, D. Menossi, A. Bosio, N. Romeo, and A. Romeo, Proceedings of 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Paris, pp2140-2412 (2013). 5) http://www.calyxo.com/en/newsreader-en/items/calyxo-presents-new-product-generation.html 6) J. D. Major, R. E. Treharne, L. J. Phillips, and K. Durose, Nature, 511, 334 (2014). 15
극을대체하여 10.6% 효율달성 7) Oak Ridge National Laboratory( 美 ) 와테네시대학 ( 美 ) 에서는 CdTe 태양전지제조공정에서핵심적인역할을하는 CdCl 2 처리와 Cu 확산이효율에미치는영향을연구 8) BP Solar( 英 ) 는모듈효율 10.9%(0.49m2 ) 를발표하였으나 2000년대초반사업을종료하였고, Matsushita Battery( 日 ) 은근접승화법을이용하여모듈효율 11.0% 를달성하였으나, BP Solar와유사한시기에사업종료 9) - (CIGS 박막태양전지 ) Solar Frontier( 日 ), Hanergy( 中 ), TSMC( 대만 ) 에서상용화제품을생산하고있으며박막에사용되는원소대체, 단일접합의효율향상등의연구가시도되고있음 Solar Frontier( 日 ) 는 2015년 CiSe Single cell 기준 20.9% 효율을달성하였고, 2015년 4월 150MW급설비를구축하여 15% 이상효율의모듈생산 10) Hanergy( 中 ) 은 Miasole( 美 ), Solibro( 獨 ), Global Solar Energy( 美 ) 등을인수한후동시증착법과셀렌화법을활용할수있는설비를구축하였으며, 11) 2013 년 7월 CIGSe 태양전지효율 20.5% 달성 12) 셀효율은 Solibro( 獨 ) 에서고효율셀제작기술을개발하여 20.5% 효율을달성하였고, 모듈효율은 Miasole( 美 ) 에서 15.7% 보유 ZSW( 獨 ) 에서 0.503cm2에서 20.3% 효율보고 3단계동시증발법으로제작된 CIGS 박막은 NREL( 美 ) 이최고효율인 20.1% 를보유하고있으며, AGUT(18.0%), TIT(17.6%) 순임 In, Ga은고가이면서부존량이적어수급문제가발생할수있으므로, IBM ( 美 ) 은 Solar Frontier( 日 ) 와공동으로 Zn, Sn으로대체하는 CZTSeS 박막태양전지를개발하여 2013년 12.6% 효율보고 Cu를 Ag로, In을 Al로대체하여넓은밴드갭을갖는광흡수층제조가시도 7) K. P. Bhandari, P. Koirala, N. R. Paudel, R. R. Khanal, A. B. Phillips, Y. Yan, R. W. Collins, M. J. Heben, and R. J. Ellingson, Sol. Energy Mat. Sol. Cells, 140, 108 (2015). 8) J. D. Poplawsky, N. R. Paudel, C. Li, C. M. Parish, D. Leonard, Y. Yan, and S. J. Pennycook, Adv. Energy Mat., 4, 1400454 (2014). 9) R. A. Meyers, Encyclopedia of Sustainability Science and Technology, in Carbon Dioxide Sequestration, Weathering Approaches to (Springer, 2012) 10) http://www.solar-frontier.com/eng/news/2015/c044372.html 11) http://www.hanergyamerica.com/newssolibro.html 12) http://www.hanergy.com/en/content/details_38_1359.html
되고있으며, NREL( 美 ) 에서는 4 단자형 CGS/CIS 탠덤구조를이용하여개 방전압 1.32V, 효율 10.7% 달성 CIGS 박막태양전지상용화제품및회사 - ( 염료감응태양전지 ) 일본, 미국에서는상용화를위한투자보다는시장추이를지켜보고있으며연구도축소되는경향이지만, 최근에는역오팔구조나나노선구조와같이나노티타니아전극의구조개선, 새로운고효율장수명유기염료의개발, 고체전해질연구를중심으로진행 EPFL( 스 ) 의 M. Grätzel 교수가원천기술을보유하고있으며, G24i( 英 ) 에서최초로휴대용전자기기충전용으로염료감응태양전지양산 Sony( 日 ) 에서는유연기판염료감응형태양전지를개발하여 8% 효율을달성 일본산업기술종합연구소 (AIST) 에서는 17.7% 효율의 CIGS 기반유연태양전지를개발하였고, 상온에서변환효율 8% 인필름형염료감응태양전지개발 Fujikura( 日 ) 에서비휘발성의유사고체전해질을적용하여고내구성모듈기술을확보하였고, 모듈효율 8.3%(20 20cm2 ) 를달성 Sharp( 日 ) 에서셀효율 1.9%, 모듈효율 8.8% 보유 17
염료감응태양전지효율현황 - ( 유기태양전지 ) Hailatek( 獨 ), Solarmer( 美 ) 와 Mitsubishi Chemicals( 日 ) 가대표적인개발업체로 10% 에근접한효율달성이후수명개선이되지않고효율증대가미미하여정체상태이나, DIPV, 레저용품, 의류등에응용가능 2014 년 TOSHIBA( 日 ) 는 1cm각단층셀로 11.2%, 5cm각모듈에서 9.9% 의효율을달성하여세계최고효율을갱신 Hailatek( 獨 ) 은 2008 년 ZnPc 와 C60을 P-I-N 구조로진공증착하여탠덤셀구조로 6.5% 효율, 2010년 1,087 cm2면적에서 8.3% 효율을달성하였으며, 증착방식으로유기단분자탠덤태양전지를개발하여 12% 변환효율달성 Solarmer( 美 ) 은소자나모듈보다는광활성층에 PTB 또는 PBD, P3HT 적용을시도하는등광활성층재료개발및판매에주력하고있으며, Cathod 전극으로 ITO나 AI 진공증착공정을적용 Mitsubishi Chemicals( 日 ) 는셀효율 10.7%, 모듈효율 6.8% 를달성하였고, 두께 1mm이하의폴리에스터필름기판에유기반도체화합물을용액공정으로코팅하는방식으로생산성향상및원가절감노력 UC-Berkeley( 美 ) Frechet 교수는 BDT-TPD 계고분자소재를적용하여 8.5% 의변환효율을달성하였다고발표하였으나공인되지않음
Plextronics( 美 ) 는인쇄유기태양전지및조명용 OLED 등유기전자소자분야에특화되어있었으나유기태양전지부문철수후 Solvey에인수되었고, Konarka ( 美 ) 는 Siemens 의유기태양전지부문을인수하여 Power Plastic 을출시하였으나상업화실패로파산차세대태양전지 - ( 고효율화합물반도체 ) Fraunhofer( 獨 ) 에서는 InGaP/InGaAs/Ge 4중접합태양전지로세계최고효율 46.0% 달성 - ( 페로브스카이트 ) 2009 년토인대학 ( 日 ) 의미야자카그룹에서효율 3.8% 의소자를개발한후영국, 스위스, 미국등의대학에서관련연구수행중 Oxford University( 英 ) 의 H. Snaith 교수그룹에서부도체알루미나를이용하여고체형페로브스카이트태앙전지, 진공증착기법으로 planner 구조의페로브스카이트태양전지를개발하여 15% 효율달성 EPFL( 스 ) 의 M. Grätzel 교수그룹에서 2-step 공정기법을개발하여 15% 효율의페로브스카이트태양전지개발 UCLA( 美 ) Yang 교수그룹에서 OPV 공정기법을활용하여 19% 효율의페로브스카이트태양전지개발 19
02 국내기술개발현황 국내국가 R&D 투자현황 14 년태양전지분야에대한국가 R&D 투자액은 182,921 백만원으로 2013 년대비 24,379 백만원이감소 태양전지분야국가 R&D 투자추이
연구개발단계별투자현황을살펴보면, 14년개발연구의투자액이 82,984백만원으로가장높으며, 전체단계에서 2013년대비투자액은감소함 - 14년연구개발단계별투자액은개발연구 82,984 백만원, 기초연구 55,785 백만원, 응용연구 36,949백만원, 기타 7,203백만원순임 태양전지분야연구개발단계별투자현황 연구수행주체별투자현황을살펴보면, 전체태양전지 R&D 투자의 72.8% 를차지하는중소기업, 출연연구소, 대학이주요연구수행주체이며, 중소기업의투자액이높은것이특징임 - 연구수행주체별로는중소기업 273,299 백만원 (29%), 출연연구소 217,902 백만원 (23.1%), 대학 195,453 백만원 (20.7%), 대기업 185,316 백만원 (19.6%), 중견기업 54,689 백만원 (5.81%), 기타 14,065 백만원 (1.49%), 국공립연구소 40백만원 (0.004%) 순임 21
태양전지분야연구수행주체별투자현황 14년부처별투자현황을살펴보면, 산업통상자원부가차지하는비중이 53.8%(98,531 백만원 ), 미래창조과학부가 36.2%(66,303백만원 ) 로상위 2개부처가전체태양전지 R&D 투자액의 90% 를차지 - 산업통상자원부 98,531 백만원 (53.8%), 미래창조과학부 66,303 백만원 (36.2%), 중소기업청 9,272 백만원 (5%), 교육부 7,295 백만원 (3.9%), 범부처사업 1,060 백만원 (0.5%), 국토교통부 460백만원 (0.2%) 순임부처 / 연구단계별로보면, 산업통상자원부의개발연구투자비중이가장높게나타났으며, 미래창조과학부의경우기초연구투자비중이가장높았음 - 주요부처의연구단계별투자현황을살펴보면, 산업통상자원부는 61,276 백만원으로개발연구투자액이가장높으며, 응용연구 (21,313 백만원 ), 기초연구 (11,312 백만원 ) 의순으로, 미래창조과학부는기초연구 (38,440 백만원 ), 응용연구 (14,497 백만원 ), 개발연구 (10,816백만원 ) 순으로투자됨 - 연구개발단계별로보면, 기초연구는미래창조과학부, 개발연구는산업통상자원부가가장많은투자를하였음
태양전지분야부처별연구개발단계별투자현황 국내기술수준 실리콘계태양전지 - ( 전체기술수준 ) 15년현재한국의실리콘계태양전지기술수준은최고기술보유국 ( 미국 ) 대비 89.0% 로주요 5개국 ( 한국, 미국, 일본, 중국, EU) 중 4위이며, 한국의중점녹색기술수준평균 (79.1%) 보다 9.9%p 높음 주요 5개국의기술수준은세계최고기술보유국 ( 미국 ) 대비일본 (99.6%), EU(98.5%), 한국 (89.0%), 중국 (82.7%) 순으로나타남 현재한국은주요 5개국의평균기술수준 (93.9)% 보다 4.9%p 낮은것으로나타남 한국은미국 (100.0%), 일본 (99.6%), EU(98.5%) 에비해기술수준이낮은반면, 중국 (82.7%) 보다는매우근소한우위를유지하고있음 23
실리콘계태양전지분야주요 5 개국별 15 년도기술수준및기술격차비교 - ( 전략제품ㆍ서비스별기술수준 ) 3 개의전략제품 서비스기술별한국의기술수준은 82.5%~92.6% 사이에분포 ( 평균 89.0%) 기술수준이상대적으로높은전략제품 서비스기술은 단결정실리콘태양전지 (92.6%) 인반면, 기술수준이상대적으로낮은기술은 비결정실리콘태양전지 (82.5%) 로나타남 단결정실리콘태양전지분야주요 5 개국별기술수준순위 : EU(100.0%)> 일본 (98.9%)> 미국 (98.5%) > 한국 (92.6%) > 중국 (88.4%)
실리콘계태양전지분야전략제품 서비스별주요국가의기술수준비교 전략제품서비스 최고기술보유국 ('15) 최고기술보유국 ('18) 15 년 (A) 한국미국일본중국 EU 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 단결정실리콘 EU 미국 92.6 94.6 2.0 98.5 100.0 1.5 98.9 98.3 0.6 88.4 93.2 4.7 100.0 99.2 0.8 태양전지 다결정실리콘 EU EU 89.5 91.2 1.7 98.8 98.0 0.8 97.7 97.3 0.4 85.4 92.2 6.8 100.0 100.0 0.0 태양전지 비결정실리콘 미국 미국 82.5 83.8 1.4 100.0 100.0 0.0 99.4 99.6 0.2 72.2 86.9 14.7 92.8 94.1 1.3 태양전지 평균 미국 미국 89.0 90.5 1.5 100.0 100.0 0.0 99.6 99.1 0.5 82.7 91.4 8.7 98.5 98.4 0.1 상기평균수치는전략제품 서비스기술별중요도를반영하여가중평균한결과임 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 15 년 (A) ( 단위 : %) 18 년 (B) B-A - ( 요소기술별기술진입장벽에대한전문가응답현황 ) 단결정실리콘태양전지분야원료, 다결정실리콘태양전지분야원료 기술분야에대한기술장벽이높은것으로인식되고있음 반면, 단결정실리콘태양전지분야모듈 기술, 다결정실리콘태양전지분야모듈 기술은상대적으로기술장벽이낮은것으로평가됨실리콘계태양전지분야요소기술별기술장벽응답률 단결정실리콘태양전지 다결정실리콘태양전지 비정질실리콘태양전지 ( 단위 : %) 요소기술낮은편보통높은편 단결정실리콘태양전지분야원료기술 1.8 46.4 51.8 단결정실리콘태양전지분야소재기술 0.0 29.0 71.0 고효율셀제조공정 ( 장비제조기술포함 ) 7.2 21.6 71.2 단결정실리콘태양전지분야모듈기술 5.5 76.8 17.7 시스템설계기술 3.8 79.0 17.3 다결정실리콘태양전지분야원료기술 0.0 13.4 86.6 다결정실리콘태양전지분야소재기술 0.0 32.3 67.7 고효율셀제조공정 ( 장비제조기술포함 ) 4.1 57.3 38.6 다결정실리콘태양전지분야모듈기술 19.3 69.7 10.9 시스템설계기술 18.3 40.1 41.5 비결정실리콘태양전지분야원료기술 1.5 62.2 36.3 비결정실리콘태양전지분야소재기술 1.4 84.3 14.3 고효율셀제조공정 ( 장비제조기술포함 ) 8.1 0.0 91.9 비결정실리콘태양전지분야모듈기술 16.5 24.5 59.0 시스템설계기술 14.7 57.4 27.9 25
비실리콘계태양전지 - ( 전체기술수준 ) 15 년현재우리나라의기술수준은중세계최고기술보유국 ( 미국 ) 대비 87.0% 로주요 5개국 ( 한국, 미국, 일본, 중국, EU) 중 4위를차지하며, 한국의중점녹색기술수준평균 (79.1%) 보다 7.9%p 높음 주요 5개국의기술수준은세계최고기술보유국 ( 미국 ) 대비 EU(97.3%), 일본 (95.7%), 한국 (87.0%), 중국 (75.2%) 순으로나타남 현재한국은주요 5개국의평균기술수준 (91.1)% 보다 4.1%p 낮은것으로나타남 한국은미국 (100.0%), EU(97.3%), 일본 (95.7%) 에비해기술수준이낮은반면, 중국 (75.2%) 보다는매우근소한우위를유지하고있음 비실리콘계태양전지분야주요 5 개국별 15 년도기술수준및기술격차비교 - ( 전략제품ㆍ서비스기술수준 ) 5 개의전략제품 서비스기술별한국의기술수준은 67.5%~100.0% 사이에분포 ( 평균 87.0%) 기술수준이상대적으로높은전략제품 서비스기술은 페로브스카이트 (100.0%) 기술인반면, 기술수준이상대적으로낮은기술은 CdTe(67.5%) 기술로나타남 페로브스카이트분야주요 5 개국별기술수준순위 : 한국 (100.0%)> EU(92.3%)> 미국 (91.0%)> 일본 (84.6%)> 중국 (71.8%)
비실리콘계태양전지분야전략제품 서비스별주요국가의기술수준비교 ( 단위 : %) 전략제품 서비스 최고최고기술기술보유국보유국 ('15) ('18) 15 년 (A) 한국미국일본중국 EU 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A 15 년 (A) 18 년 (B) B-A CIGS 미국미국 85.1 86.0 0.8 100.0 100.0 0.0 95.6 98.5 2.8 79.5 85.5 6.0 96.2 98.0 1.8 DSSC 일본일본 79.3 83.8 4.4 84.4 83.8 0.6 100.0 100.0 0.0 68.0 72.5 4.5 93.2 95.0 1.8 OPV 미국미국 82.3 89.9 7.6 100.0 100.0 0.0 91.1 92.4 1.3 70.9 81.0 10.1 91.1 92.4 1.3 CdTe 미국미국 67.5 67.5 0.0 100.0 100.0 0.0 83.8 87.5 3.8 67.5 73.8 6.3 90.0 90.0 0.0 페로브스카이트 한국한국 100.0 100.0 0.0 91.0 92.4 1.4 84.6 92.4 7.8 71.8 82.3 10.5 92.3 92.4 0.1 평균미국미국 87.0 89.7 2.6 100.0 100.0 0.0 95.7 98.9 3.2 75.2 82.9 7.7 97.3 98.3 0.9 - ( 요소기술별기술진입장벽에대한전문가응답현황 ) 요소기술단위로기술장벽수준을살펴보면, CdTe 분야원료및소재 (91.4%), CIGS 분야원료및소재 (81.5%), DSSC 분야원료및소재 (96.7%), OPV 분야원료및소재 (84.1%), 페로브스카이트분야원료및소재 (79.8%) 기술분야에대한기술장벽이높은것으로인식되고있음 반면, CdTe 분야, CIGS 분야, DSSC 분야, 페로브스카이트분야 시스템설계 기술은상대적으로기술장벽이낮은것으로평가됨 OPV 분야모듈 기술및 시스템설계 기술은상대적으로기술장벽이낮은것으로평가됨 27
비실리콘계태양전지분야요소기술별기술장벽응답률 ( 단위 : %) 요소기술 낮은편 보통 높은편 CdTe 분야원료및소재기술 2.9 5.7 91.4 CdTe CdTe 분야셀기술 5.9 53.7 40.5 CdTe 분야모듈기술 9.4 53.1 37.5 시스템설계기술 34.3 55.6 10.2 CIGS 분야원료및소재기술 2.3 16.2 81.5 CIGS 저가화 / 대면적화공정기술 ( 장비제조기술포함 ) 2.7 45.4 51.8 CIGS 분야모듈기술 22.5 53.7 23.9 시스템설계기술 40.1 52.3 7.6 DSSC 분야원료및소재기술 2.4 0.8 96.7 DSSC 저가화 / 대면적화공정기술 ( 장비제조기술포함 ) 2.1 55.9 42.0 DSSC 분야모듈기술 17.3 79.4 3.3 시스템설계기술 33.8 57.0 9.2 OPV 분야원료및소재기술 8.2 7.7 84.1 OPV 저가화 / 대면적화공정기술 ( 장비제조기술포함 ) 5.1 50.9 44.0 OPV 분야모듈기술 25.5 63.0 11.5 시스템설계기술 24.5 58.6 16.9 페로브스카이트분야원료및소재기술 8.6 11.5 79.8 페로브스카이트 저가화 / 대면적화공정기술 ( 장비제조기술포함 ) 11.3 37.7 51.0 페로브스카이트분야모듈기술 11.6 29.9 58.4 시스템설계기술 16.2 80.0 3.8
산업동향및연구동향 실리콘태양전지 - ( 결정질실리콘태양전지 ) LG전자, 현대중공업, GS E&R, 한화큐셀, 신성솔라에너지등에서효율향상과원가경쟁력극복을위해고효율화기술개발중 LG전자는 2015년태양광모듈최적화기술과단결정웨이퍼기반의고효율셀기술을적용하여 250MW 출력모듈기준국내최고효율인 16.89% 효율을달성하였고, 전기의이동통로를분산해손실을최소화하는기술을통해 6형 (15.67 cm대크기의 N형웨이퍼기준 ) 세계최고의모듈효율인 19.5% 달성 현대중공업은 P형 mono 기판에 PERC 구조를적용하여 19.8% 이상효율의태양전지를생산하였으며, 22% 이상효율달성을위한 N형박형태양전지기술개발진행 신성솔라에너지는 P형 mono 기판의태양전지로 19.3% 이상의효율달성 한화큐셀은 P형 HP-multi 기판에 PERC 기술을적용하여 19.2% 변환효율태양전지를생산하고있으며, 16년까지 1.5GW 규모의투자진행중 - ( 비결정질실리콘태양전지 ) 국내에서는관련기업을통한개발연구나상용화는거의이루어지고있지않으며출연연, 대학을중심으로한다중접합연구및 HIT 태양전지응용연구가진행되고있는수준임 LG전자에서는정부지원개발사업을통하여 a-si/nc-si/nc-si 3중접합구조로 13.4% 의세계최고수준의안정화효율을달성하였으며, 5세대급파일럿모듈에서는 3중접합을이용하여 11% 효율을달성 주성엔지니어링에서는 5세대급단일접합및탠덤형태양전지모듈생산을위한 Turn-key 제조장비를판매하였고, 폴리이미드기판을이용한접이식플렉서블모듈을개발하여 8~10% 의효율을달성 한국전자통신연구원은단일접합으로 9.8% 효율을달성하였으며, Si/SiGe 탠덤셀기술등을통해광캡쳐기술을개발중 한국철강, 알티솔라등에서비정질실리콘박막기반의대면적모듈을생산하였으나 2014년시장상황악화등의이유로생산이중지된상황 29
박막태양전지 - ( 실리콘계박막태양전지 ) 삼성전자, LG전자, KAIST에서연구수행중 삼성전자에서는 2010년 200 200mm2에서안정화평균효율 11.2% 달성 LG전자는 2011 년까지대면적의삼중접합박막태양전지개발을위해필요한장비소재재료원료부품의국산화를완료하고, 2013년에는 GW급양산체제를갖추는것을목표로함 KAIST에서는 Photo CVD를이용하여실리콘계박막태양전지연구를수행중 - (CdTe 태양전지 ) 국내 CdTe 태양전지연구는소수의대학및연구소에서진행중이며, Cd에대한이슈로산업발전또한미비한실정이나태양광시장개방시 First Solar 등해외기업의국내진출에대한대비책필요 KAIST 의안병태교수그룹에서는 n-cds/p-cdte 구조사이에 Cd 박막을이용해성장시킨 i-cdte 층을첨가하여 13.3% 효율달성 13) 고려대김동환, 김지현교수그룹에서는 n-cds/p-cdte 셀을제작하고후처리공정및배면전극특성을연구하여 13.76% 효율달성 고려대김지현교수그룹에서는 200μm 두께의얇은유리기판을이용하여 10.9% 효율의유연태양전지제작 14) - (CIGS 박막태양전지 ) 원익IPS, LG이노텍, 대양금속, GS 칼텍스, 한국에너지기술연구원, KAIST 등에서기술개발을진행하고있으나, 중국기업들의저가공세로인한가격경쟁력저하, 수요부진으로인해삼성, SK이노베이션, 현대아반시스는자산매각등사업정리수순 원익IPS는 Zn(O, S) 버퍼층을이용하여 902 1602mm2대면적의 CIGSe 모듈로 16.0% 효율을달성하였으며, 세계최고기록의 231W 전력모듈을생산 LG이노텍은다원동시증착방식을사용하여 2012년 30 30cm2에서 16.1%, 60 120cm2에서 13.6% 효율발표 대양금속은다원동시증착방식으로금속유연기판을사용하여변환효율 12% 목표로개발중 삼성전자는 2010년태양전지사업에대규모투자계획을발표한이후 2013년 CIGS 박막태양전지기술개발로 TUV 로부터 1.44 m2면적기준 15.7% 효율을인정 13) J. H. Yun, E. S. Cha, B. T. Ahn, H. Kwon, and E. A. Al-Ammar, Curr. Appl. Phys., 14, 630 (2014). 14) W.-O. Seo, D. Kim, and J. Kim, Opt. Express, 23, A316 (2015).
받았으나, 15) 2014 년 4 분기 1288 억원의순손실액을기록하고 2015 년현재사업 정리중임 16) SK 이노베이션은 2011 년 HelioVolt 사의 CIGS 태양전지제조공법이타사대비효율이 높고대량생산을통한원가절감이가능하다는이유로상업화를위한투자계획을 발표하고 828 억원을투자하였으나, 17) 자산매각등수백억원의손실이불가피함 18) 한국에너지기술연구원에서는국내최고셀변환효율인 19.0%(0.5 cm2 ) 을달성하였고, 한국전자통신연구원에서도발표효율 18%( 소면적 ) 이상달성 KAIST 안병태박사팀에서는 Three-stage Co-evaporation CIGSe 박막과 CBD 공정으로증착한 Zn(S, O, OH) 버퍼층을이용하여 14.2% 효율달성 한국에너지기술연구원안세진박사팀에서는 Ga 의균일한분포를형성하는스퍼터링 + 셀렌화공정을이용하여 single cell 기준 13.16% 의 CIGSe 박막제조 그밖에도한국광기술원, 대구경북과학기술원, 중앙대, 성균관대, UNIST 등에서 CIGS 흡수층제조핵심기술개발중 - ( 염료감응태양전지 ) 동진쎄미켐과상보, 솔라이앤에스에서염료감응태양전지의 상용화를추진하고있으며, 한국과학기술연구원, 한국전자통신연구원, 한국전기연구원, 고려대등관련연구진행중 동진쎄미켐은세계최고수준대면적고효율모듈및공정기술을확보하였고, 지상설치용박막태양전지모듈에대한설계적격성확인및형식승인요구 사항인 IEC 61646 의주요성능지표를만족하는결과를보고 상보는유연성있는금속기판태양전지를롤투롤방식으로개발중이며, 스테인레스 기판을활용한플렉서블염료감응태양전지개발과제를수행중 KAIST 고민재박사그룹은저온광전극소결기술을개발하고플라스틱태양전지로 세계최고효율인 8% 달성 한국전자통신연구원강만구박사그룹은 SUS 금속기판을이용유연기판태양전지 모듈기술개발 고려대학교김환규교수그룹은염료감응태양전지상대전극으로사용가능한질소 도핑그래핀을대량생산할수있는기술을개발하여 ACS 나노에게재하였으며 태양전지상용화에활용기대 15) http://www.greendaily.co.kr/news/articleview.html?idxno=25131 16) http://www.sisaweek.com/news/articleview.html?idxno=36187 17) http://www.asiae.co.kr/news/view.htm?idxno=2011091914041165269 18) http://www.asiatoday.co.kr/view.php?key=20150121010011250 31
- ( 유기태양전지 ) 코오롱인더스트리, GIST 이광희교수그룹, 광주과학기술연구원등에서연구를진행하고있으며, 2012년이후일부소재및기판재료, 전극소재를개발하고있으나상용화에근접하지못함 코오롱인더스트리는한국화학연구원과공동연구진행중이며, 필름생산및제어기술과롤투롤공정기술을통한모듈개발로 2013년최고효율 11.3% 달성 GIST 이광희교수그룹에서유기태양전지효율저하원인규명및신규모듈제작기술개발중 광주과학기술연구원은 UC Santa Barbara( 美 ) 의 Heeger 교수그룹과공동연구를통해 6.5% 효율의일렬배치형유기태양전지를개발차세대태양전지 - ( 고효율화합물반도체 ) 한양대백운규교수그룹포함한ㆍ미공동연구진이세계최초로다층성장기술을이용한화합물태양전지기술을개발하였고, 한국나노기술원과아주대는화합물반도체 3중접합태양전지를개발하여 40.46% 효율달성 한양대백운규교수그룹과 Illinois University( 美 ) John A. Rogers 교수그룹은글로벌연구실사업의지원으로다층성장기술을이용한화합물태양전지기술을개발하여 Nature에게재 한국나노기술원강호관, 박원규박사그룹과아주대이재진교수그룹은 InGaP-GaAs-Ge 기반화합물반도체 3중접합태양전지를개발하여당시국내최고태양전지변환효율인 40.46% 달성 - ( 페로브스카이트 ) 우리나라에서페로브스카이트태양전지관련원천특허를보유하고있으며세계최고효율인 20.1% 달성하였으나, 수분취약성과납사용의한계극복필요 2012년성균관대박남규교수그룹에서장기안정성을가지면서 10% 에근접하는효율의페로브스카이트태양전지를개발하고원천특허를취득 한국화학연구원석상일박사팀은미국 NREL 로부터 20.1% 효율을공인받았으며, 관련연구결과를 Nature, Science에발표
Ⅲ. 시장현황 01 세계시장현황및전망 2015 년예상세계태양광시장은 13 년대비약 9.8% 증가하 여 26,726 M$ 로추정 ( 13 년 ) 24,339 M$ ( 15 년 ) 26,726 M$ 태양전지산업은공급과잉및판가인하로인해상당한어려움을겪고있으며, 19년까지지속될것으로전망 13년부터 19년까지연평균성장률 (Compound Annual Growth Rate, CAGR): 2.9%] 특히, 폴리실리콘의공급과잉과가격하락으로인해, 실리콘태양전지가전체태양전지의비중의대부분을차지하고있으며, 19년까지 92% 이상으로지속세를유지할것으로예상 - 실리콘태양전지전망치는 ( 13년 ) 22,320 M$ ( 15 년 ) 24,070 M$ ( 17년 ) 24,436 M$ ( 19년) 26,023 M$ 박막태양전지점유율은 13년대비 15년도에 0.8% 상승할것으로전망되나, 이후정체되어 19년에는 15년대비 0.3% 증가하는수준에머물게될것으로예상 - 박막태양전지전망치는 ( 13년) 1,956 M$ ( 15년) 2,656 M$ ( 17년) 2,633 M$ ( 19년) 2,863 M$ 차세대태양전지는 13년전체시장대비 0.2% 의점유율을차지하고있으나, 대부분의차세대기술들이기초개발연구수준으로 19년까지상용화에도달하지못할것으로전망 - Navigant 에의하면, 차세대태양전지시장은 ( 13 년 ) 62.1 M$ ( 15 년 ) 0 M$ ( 16 년 ) 0 M$ 로전망되나, Semiconductor Today(15.7.15.) 에서는집광형태양전지의 33
시장전망치를 19 년 2.4GW 로예측 태양전지전체세계시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) ( 실리콘태양전지 ) 비결정질태양전지의경우 13년실리콘태양전지시장에서 3.7% 의시장점유율을차지하였으나, 이후결정질실리콘태양전지의지속적인원가절감및효율향상으로인해, 초기예상과는달리 15년에시장점유율이급격히감소한후 19년까지하락세를이어갈것으로전망 (CAGR: 2.6%) - CAGR 은결정질실리콘태양전지 3.2%, 비결정질실리콘태양전지 27.1% 로예상
실리콘태양전지세계시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) 35
( 박막태양전지 ) CdTe 박막태양전지는 13년박막태양전지의 46.1% 점유율을차지하였으나, 15년에는점유율이 7.4% 증가할것으로예상 이에반해, DSSC 및 OPV의경우 19년까지기술개발단계에머물것으로전망되며, CAGR은 CdTe 10.2%, CIGS 6.9% 로예상 박막태양전지세계시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) ( 차세대태양전지 ) 고효율반도체화합물태양전지가대부분의시장을형성하고있으나, 향후성장가능성이불투명한상황 고효율화합물반도체태양전지의가격경쟁력확보를위해서는기술혁신및단가의추가하락및투자유치를위한신뢰성확보필요차세대태양전지로각광받고있는페로브스카이트태양전지는연구가활발히진행되고있으나, 아직기초개발단계수준으로 19년까지시장에진입하기힘들것으로예상
02 국외시장현황및전망 미국 미국의내수시장은 15년기준으로 3,912 M$ 로예상되며, 이는세계시장의 15% 규모에해당되나, 15년이후시장규모가점차축소될것으로전망 - 15년미국태양전지시장규모는 13년대비약 35.9% 증가하여 3,912 M$ 로전망되며, 이후 17년에는약 53.2% 로급격히감소하다, 19년에는일부회복세로전환될것으로예상 ( 13년) 2,879 M$ ( 15년) 3,912 M$ ( 16년) 1,830 M$ ( 19년) 2,945 M$ - 미국내박막태양전지의수요는 19년까지일부상승하지만, 여전히 78% 의실리콘태양전지가미국내수시장을장악할것으로전망 미국태양전지시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) 37
중국 중국의내수시장은 13년기준으로 7,389 M$ 규모로예상되며, 이는세계시장의 28.5% 규모에해당되나, 이후시장규모가지속적으로감소하여 19 년에는세계시장에서중국시장이차지하는비중이 16.2% 로대폭축소될것으로전망 - 특히, 실리콘태양전지의수요가급격히감소하다 19년 4,209 M$ 수준에도달할것으로예상되며, 실리콘태양전지 CAGR은 -10.2% 의감소추세임 - 이에반해, 박막태양전지의 CAGR은꾸준한지속세를보일것으로예상됨중국의태양전지내수시장규모가급격히하락하는이유는중국내태양광설치용량의증가폭감소및원가절감과공급과잉에의한모듈가격하락에기인한것으로추정 중국태양전지시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015)
03 국내시장현황및전망 15 년국내태양전지시장은 13 년대비 92.8% 로대폭성장하 여 504.2 M$ 의시장규모로예상되며, 15 년세계시장규모의약 1.9% 를차지 이후국내태양전지시장의성장률이대폭감소하여, 19 년에 는 573 M$ 규모가될것으로추정 ( 15 년 ) 504.2 M$ ( 17 년 ) 537.5 M$ ( 19 년 ) 573.6 M$ 우리나라태양전지시장규모 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) 39
04 주요 Key Player 시장점유율 ( 실리콘태양전지 ) 세계 3대실리콘태양전지 Major 업체가세계태양전지시장의약 20% 를점유 13년기준으로 Yingli Solar( 中 ) 가세계시장의약 8% 를장악하고세계시장을선점하였으나, 15년에는 Trina Solar( 中 ) 가세계시장의약 7.7% 를점유하여세계 1위기업으로부상할것으로전망 - 13년기준전체실리콘태양전지시장점유율순위는 Yingli Solar (8.7%), Trina Solar (6.9%), Canadian Solar (5.1%) 순이며, 15년기준순위는 Trina Solar (8.4%), Yingli Solar (7.7%), Canadian Solar (7.1%) 순임 실리콘태양전지 key Player 시장점유율 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) ( 박막태양전지 ) 박막태양전지전체시장은 3개의 Major 업체가 96% 이상을점유 CdTe 박막태양전지를생산하는 First Solar( 美 ) 가박막태양전지시장의 55% 를점유하여세계 1위이며, CIS 박막태양전지를생산하는 Solar Frontier( 日 ) 가 32.6% 로 2위임 15년에는 Solar Frontier( 日 ) 의매출이급격히증가하여, CdTe, CIGS 생산업체중심으로박막태양전지의시장이형성될것으로전망
박막태양전지 Key Player 시장점유율 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) ( 차세대태양전지 ) 차세대태양전지전체시장은고효율화합물반도체태양전지업체 ( 집광형 ) 인 SunCore( 中 ) 가시장을선점하고있으나, 시장상황은예측불가능한상태 SunCore( 中 ) 가 13년기준차세대태양전지시장의 89% 를점유하고있으나, 세계전체태양전지시장의 0.2% 를차지하는수치로매우미약한수준이며주로중국내수시장임 14년에는고효율화합물반도체태양전지업체인 Soitec( 프 ) 의매출이급격히증가하여차세대태양전지시장의 87% 를점유하였으나, 일반 PV 시스템의가격하락으로가격경쟁력이급속히하락차세대태양전지 Key Player 시장점유율 출처 : Navigant Consulting, Inc.(2015) 이후전체차세대태양전지시장의불투명성으로인해 15 년이후의고효율 화합물반도체태양전지시장또한예측불가한상황 41
Ⅳ. 정책현황 01 국외정책 (R&D 지원 ) 정부주도의대규모 R&D 투자 ( 미국 ) 에너지부에서는 Photovoltaic Beyond the Horizon 사업, SunShot Initiative Program을추진하여소재및공정기술개발지원하며, 기술수준에따라프로그램구분 - Photovoltaic Beyond the Horizon 에서는태양전지와모듈등요소기술의저가격, 고효율화를중심으로소재및공정에대한연구개발추진 - SunShot Initiative Program에서는 2020년까지태양광원가와시스템비용을 75% 까지감소시켜그리드패리티도달을, 2030 년까지미국내전력의 15%, 이상을태양광발전으로공급하는것을목표로함 미국의태양광연구개발프로그램 프로그램명 Technology Pathway Partnerships Photovoltaic Technology Incubator Selections Future Generation Photovoltaic Devices and Processes selections 주요내용 기업주도로대학및연구소가참여 신공정및제품의상용화지원대상기술 : 박막제조기술, 집광형태양전지등 잠재성있는기술에대한지원대상기술 : 나노, MEG, Plasmonics, Tandem
( 일본 ) Cool Earth 에너지혁신기술계획, All Japan Project와 Advanced PV Generation Program을통해태양광원가절감및효율향상기술개발을지원하고있으며, 2009년 PV 로드맵을수정하여 2050년을목표로 PV2030+ 를설정 - Cool Earth 에너지혁신기술계획은온실가스감축관련 21개기술을선정하여개발하는것을목표로하며, 혁신적태양광발전으로서 2세대초박막결정질실리콘, 초고효율박막태양전지, 유기계태양전지발전단가감축, 발전효율 40% 달성, 3세대양자나노구조의태양전지등개발로 2050 년까지발전효율 40% 이상달성이목표 - APVG 프로그램은차세대기술개발을위한 R&D 사업으로태양광발전시스템에서의원가절감및효율향상이목표 - All Japan Project 는산ㆍ학ㆍ연공동연구를통해자국기업간불필요한경쟁을줄이고글로벌태양광시장점유율확대가목표 일본로드맵 PV2030+ 2010 2017 2025 구분 모듈 (%) 셀 (%) 모듈 (%) 셀 (%) 모듈 (%) 셀 (%) 제조비용 ( 엔 /W) 수명 ( 년 ) 모듈 (%) 결정질 16 20 20 25 25 (30) 50 30(40) 박막 12 15 14 18 18 20 40 30(40) CIG계 15 20 18 25 25 30 50 30(40) 화합물계 28 40 35 45 40 50 40 30(40) 염료감응 8 12 10 15 15 18 40-40% 의초고효율태양전지추가개발 유기 - 7 10 12 15 15 40 - ( 보급촉진 ) 발전차액지원제도 (FIT), 공급의무화제도 (RPS) 를통해신재생에너지를이용한발전을지원하고있으며, 태양광 기업에게세제혜택등을부여 43
( 미국 ) 현재 38개주에서 RPS를, 일부주 ( 캘리포니아, 루이지애나, 하와이, 오리건, 버몬트등 5개주, 11년기준 ) 에서는 FIT를보조수단으로활용하고있으며, 전력소비자가태양광을통해생산된잔여전력을판매할수있는 Net Metering 제도실시 ( 일본 ) 후쿠시마원전사고이후 FIT를재도입하고적용대상을 10kW 이상주택용태양전지발전설비로확대 - 후쿠시마원전사고이후 05년부터시행된 RPS를폐지하고 FIT를재도입하였고, 태양광의경우 10kW 이상은 20년간 42엔 /kwh, 10kW 미만은 10년간 42엔 /kwh로우리나라기준가격보다높은수준 - FIT 재도입으로태양전지생산량과태양광설치율이급격히증가 일본신재생에너지법상태양광발전전기매입가격및기간 구분주택용주택이외사업장, 발전사업용등 매입가격 초기에는높은매입가격을설정하고발전시스템의가격하락에따라감소 매입기간 10 년 15-20 년범위이내 출처 : 에너지관리공단신재생에너지센터 ( 유럽연합 ) FIT와 RPS를병행하고있으며, 2020년까지태양광발전으로만 EU 발전전력량의 12% 를조달하는유럽에너지기술전략계획발표 - ( 독일 ) FIT 는누적용량 52GW 에도달하는 2018-2020 년에폐지되고, 입찰시장으로전환될예정 - ( 영국 ) 2020년까지태양광발전용량 20GW( 발전비중 15%) 확대계획 - ( 이탈리아 ) 잉여전력확보위해 FIT 지급기간확대 ( 중국 ) 전력구매를의무화하는한편자국태양광업체에부가세 50% 환급, Golden Sun Model Project를통해보조금지급 - 시스템연계형태양광발전에 50% 의예산을지원하고, 계통연계가되지않는지역에는설치비용의 70% 보조
중국의새로운보조금시스템 태양에너지자원에 따른지역분류 대형태양광 FIT (Yuan/kWh) 분산형태양광 자가용 사용후잉여전력 (Yuan/kWh) (Yuan/kWh) Ⅰ 0.90 Ⅱ 0.95 전력소매요금 +0.42 화력발전도매가격 +0.42 출처 SNEIA (2013) Ⅲ 1.00 ( 보호정책 ) 중국산태양광부품으로인한무역분쟁이확대되면서반덤핑, 반보조금관세등자국산업을보호하기위한정책을실행 ( 미국 ) 2011년 10월 SolarWorld는美상무부 (Department of Commerce, DOC) 에중국의불공정무역관행 (unfair trade practice) 을고발하였고, 美정부는중국산태양광부품에 20-255% 의수입관세부과 ( 일본 ) 캐나다온타리오주의지역자원사용요건이캐나다태양전지제조업체에게보조금과같은혜택을부여한다고항의하였고, WTO는지역자원사용요건을폐지하고규정재조정을명령 45
02 국내정책 (R&D 지원 ) 실리콘태양전지 ( 성숙시장 ) 의경우효율증대및가격경쟁력강화를지원하며, 차세대태양전지는요소기술개발지원 그린에너지전략로드맵 2011에서는글로벌시장진입을위한전략적기술개발방향, R&D 이후상용화실행방안을도출 그린에너지전략로드맵 2011 ( 태양광 ) 실리콘태양전지시장은그리드패리티에도달된성숙시장이므로, 중국의 저가ㆍ대량생산에대응하기위한발전효율증대및가격경쟁력강화 ( 단위생산 전력당모듈제조비용 35% 절감 ) 지원
차세대태양전지는기술발전속도가빠르고응용가능성이높은분야이므로 민간수행이어려운핵심기술의조기상용화를집중지원 ( 보급촉진 ) 신재생에너지공급의무화제도는태양광발전보급정책의핵심으로태양광의의무이행비율은 100% 에달하며, 공공건물의신재생에너지설치의무화를통해공공부문의신재생에너지보급을확대하는한편, 태양광렌탈사업, 그린홈사업등을통해가정용등소규모태양광발전지원 신재생에너지공급의무화제도에서는설치유형및규모에따라공급인증서 (Renewable Energy Certificate, REC) 가중치를차등부여 - 신재생에너지공급의무화제도는일정규모의발전사업자에게총발전량의일정비율이상을신재생에너지를이용하여공급하도록의무화하는제도 - 공급의무자는공급인증서를공급인증기관에제출하여의무이행사실을증명하여야하고미이행분에대해과징금을부과하며, 시장에서인증서거래가능 - 제4차신재생에너지기본계획에따라태양광과비태양광시장통합예정이며, 발전사와장기계약이가능한태양광판매사업자지원확대예정 - 태양광의경우산업육성을위해별도로의무공급량을정하고있음 신재생에너지중태양광연도별공급의무량 연도 2012 2013 2014 2015 이후 의무공급량 (GWh) 276 723 1,353 1,971 출처 : 에너지관리공단신재생에너지센터 - 기존에는설치유형, 지목에따라가중치를부여하였으나, 설치유형, 설치규모에 따라 0.7 ~ 1.5 의가중치부여하는내용으로개정 47
태양광 REC 가중치 (2015. 3. 13. 시행 ) REC 가중치 설치유형 대상에너지및기준 세부기준 1.2 100kW 미만 1.0 일반부지에설치하는경우 100kW부터 0.7 3,000kW 초과부터 1.5 3,000kW 이하 건축물등기존시설물을이용하는경우 1.0 3,000kW 초과부터 1.5 유지의수면에부유하여설치하는경우 국가및지방자치단체, 공공기관이신축ㆍ증축또는개축하는건축물에신재생에너지설비의설치의무화 - 신에너지및재생에너지개발ㆍ이용ㆍ보급촉진법제12 조에근거하여설계시산출된예상에너지사용량의일정비율이상을신재생에너지를이용하여공급되는에너지를사용하도록함태양광렌탈사업및그린홈사업을통해보급지원 - 태양광렌탈사업은태양광설비를가정에대여하여절약한전기요금을통해수익을창출하도록하는사업으로, 100% 사업자부담인점에서자부담과보조금이 6:4 비율이었던기존사업과차이가있으며, 대여업자에게대여료및신재생에너지공급인증서로투자비등회수할수있도록지원 - 그린홈사업에서는가정용태양광발전설치시공비의 40% 를지원하며, 13년부터 1,150천원 /kw의정액을지원용적률및보조금단계적삭제, 신축건축물에대한신재생에너지설비의무화를통해제로에너지빌딩활성화
Ⅴ. 요약및시사점 국내태양전지산업은공급과잉및판가인하의어려움속에서도일부회복세를보이고있으며, 원가절감등가격경쟁력및기술신뢰성확보를위한정책적지원필요 ( 기술동향 ) 15년실리콘계및비실리콘계태양전지기술수준은주요 5개국중 4위이나, 실리콘계태양전지의효율향상및원가경쟁력극복, 실리콘계태양전지대체를목표로기술개발이진행중이며, 페로브스카이트태양전지의경우세계최고수준의기술보유 ( 시장동향 ) 15년국내태양전지시장은 13년대비 92.8% 로대폭성장하였으나세계시장규모의 1.9% 에불과하며, 이후성장률이감소하여 19 년 573 M$ 규모로예상 ( 정책동향 ) 세계각국은 R&D 지원, 보급촉진정책을통해글로벌태양광시장점유율확대를꾀하고있으며, 우리나라에서도정부차원에서기술개발을지원하는한편신재생에너지공급의무화제도등을통해시장확대모색 최근기술개발의트렌드는사업성확보를중심으로변화하고있으므로시장확보형 / 미래비전형으로구분ㆍ육성하는 R&D 패러다임전환이요구되며, 전공정 Value Chain 기업의컨소시엄지원을통한소재및양산형장비개발필요 결정질실리콘태양전지의경우중국의대규모투자와규모의경제에대응하기위한저원가기술이확보되어야하고, 원료및소재에대한기술개발지원필요비결정질실리콘태양전지의경우결정질에비해공정이단순하고 22% 이상의높은에너지변환효율이나타나고있으나장비및소재기술개발이 49
동반되어야만안정적성장가능고효율화합물반도체태양전지의경우, 일반실리콘태양광발전대비가격경쟁력확보를위해집광용광학계및추적기의기술혁신과원가절감을위한기술확보필요현재우리나라의태양전지관련업체는외산설비에의존하고있으므로, 소규모소재업체와장비업체의컨소시엄지원이요구됨 향후발전가능성과잠재성이높은페로브스카이트, 집광형, 습식공정을이용한 CIGS 태양전지에대한심층동향분석등지속적모니터링및육성이필요 우리나라가원천기술과세계최고효율을보유하고있는페로브스카이트태양전지기술은수분취약성등안정성문제극복시실리콘태양전지의대체가능성이높으므로장기적관점에서지원필요고효율화합물반도체태양전지시장은일반 PV 시스템의가격하락으로가격경쟁력이급속히하락하였으나, LCOE 측면에서일조조건에따라획기적인원가절감예상기존의 CIGS 박막제조공정을비진공공정으로대체할경우재료의사용효율과생산성이향상되며대량생산이가능
Ⅵ. 심층동향 01 페로브스카이트태양전지 세부기술개요 ( 정의 ) 매우높은흡광계수 ( 물질이빛을흡수하는정도를나타내는계수 ) 를가지는광흡수체인페로브스카이트물질을활용한저가형 고효율태양전지기술 - 페로브스카이트태양전지의에너지회수시간 (Energy Payback Time, EPBT) 은 2-3개월로기존태양전지의 EPBT(1-2 년 ) 보다짧아결정질, 박막태양전지와경쟁이가능 페로브스카이트태양전지의일반적구조
( 장단점 ) 기존반도체기반태양전지에가까운고효율달성및타태양전지기술과의텐덤화가가능하여고효율화가용이하지만, 수분에취약하고납에대한안정성및실리콘태양전지와의경쟁을위한수명연장이상용화에필수적인요건 ( 제조공정 ) 페로브스카이트형성, 페로브스카이트코팅, 홀전도물질층형성, 나노포러스산화물막형성, 대면적모듈화등의공정 하이브리드페로브스카이트박막제조공정도 세부기술동향 성균관대박남규교수그룹이세계최초로페로브스카이트소재를흡광물질로개발하여원천특허취득 (Sci. Reports (2012) 2, 591.) - 최근 adduct 를이용하여평균 18.3%, 최고 19.7% 효율의태양전지개발 (J. Am. Chem. Soc. (2015) 137, 8696) - 일본카네카와공동연구를통해페로브스카이트태양전지와실리콘태양전지의하이브리드기술로 28% 효율을보고 - 페로브스카이트결정성장제어기술을이용하여 17.01% 효율달성한국화학연구원석상일박사그룹은용액엔지니어링기법을이용하여미국 NREL 로부터 20.1% 효율을공인받았으며, 관련연구결과를 Nature, Science에발표
페로브스카이트태양전지효율현황 국내ㆍ외에서페로브스카이트태양전지수명및납대체물질관련연구수행중 - 경희대임상혁교수그룹에서는히스테리시스가거의없는페로브스카이트태양전지기술을개발하였으며, 성균관대정현석교수그룹에서천번구부려도성능이변하지않는플렉시블페로브스카이트태양전지기술개발 - 광주과학기술원김동유교수와호주국립과학원박두진박사는슬롯다이코팅공법과롤투롤공정을통해저가격ㆍ대면적페로브스카이트태양전지개발 - 염료감응태양전지최고효율을보유하고있는 EPFL의 Grätzel 교수그룹에서 CH 3 NH 3 Pbl 3 기반페로브스카이트태양전지를개발하여 15% 효율달성 (Science 2013, 499, 316) - Stanford University( 美 ) McGehee 교수그룹에서 CIGS 와페로브스카이트텐덤화기술로 18.6% 효율달성 - UCLA( 美 ) Yang 교수그룹에서 OPV 공정기법을활용하여 19.3% 효율달성 (Science 2014, 345, 6196) - Oxford University( 英 ) 의 Snaith 교수그룹에서 CH 3 NH 3 Pbl 3 -XClX 기반태양전지로 5.73% 효율발표 (Nature Photonics 2014, 8, 289) - KAIST 정인교수그룹은 Sn 기반페로브스카이트소재를홀전도체로사용하여 53
8.5% 변환효율달성 (Nature 2012, 485, 486) - Northwestern University s Institute for Sustainability and Energy( 美 ) 는미국에너지부 (DOE) 의지원으로페로브스카이트태양전지수명및납대체물질연구를진행중임향후 5년이후 30% 이상고효율이실현되고무연 / 플렉시블페로브스카이트태양전지개발이예상되나, 상용화를위해서는소재의안정성확보, 대면적코팅기술등의개발이필요 - 밴드갭튜닝과구조및계면제어기술개발로 25% 이상고효율실현이가능하며, 실리콘, CIGS 태양전지와페로브스카이트태양전지의하이브리드또는텐덤화로 30% 이상초저가초고효율태양전지를개발할것으로기대 - 수분에안정한신기술개발로상업화가능한수준에도달할것으로예상 - 납을대체하는신물질개발로무연페로브스카이트태양전지와만번이상구부려도성능이변하지않는플렉시블페로브스카이트태양전지개발이예상 시장전망 ( 세계시장전망 ) 페로브스카이트태양전지는기초개발연구수준에서상용화를위한응용단계로접어드는시점 - 페로브스카이트태양전지모듈의가격은 2015년기준전세계모듈가격인 $.50/W- $0.60/W, 2021 년예측가격인 $.30-$.40/W 범위내여야만시장경쟁력이있을것으로예측 정책동향 ( 국내 ) 미래창조과학부에서글로벌프론티어사업, 기후변화대응기술개발사 업등을통해페로브스카이트원천기술개발을지원
02 집광형태양전지 세부기술개요 ( 정의 ) 태양에너지를전기에너지로바꾸는기본원리는기존의태양전지와동일하지만, 고효율다중접합태양광셀또는결정질실리콘소재태양전지셀을사용하고집광장치로서굴절형렌즈, 반사형거울, 복합렌즈또는광가이드형집광기를조립하여태양광을저배율에서고배율로집광하여발전하는시스템 Ⅲ-Ⅴ 족화합물반도체층을이용한집광형태양전지소자형태 ( 종류 ) 고집광형광발전 (High Concentration PhotoVoltaic, HCPV) 과저 집광형광발전 (Low Concentration PhotoVoltaic, LCPV) 으로구분되며, 고 집광형광발전모듈이 90% 를차지 - HCPV 는 Ⅲ-Ⅴ 족화합물반도체로다중접합집광형태양전지 (multi-junction concentrator cell) 를사용하며, 19) 에너지출력과효율극대화를위해이축추적장치 (dual-axis-tracking) 를 19) Opportunities and Challenges for Development of a Mature Concentrating Photovoltaic Power Industry Sarah Kurtz, National Renewable Energy Laboratory. Nov. 2012. http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/43208.pdf 55
사용 - LCPV 는결정질실리콘태양전지와단방향추적장치 (single-axis tracking) 를사용하며, 전통적인평판 (flat-plate) PV 시스템에비해변환효율에서장점을가지나, 법선면직달일사량 (Direct Normal Insolation, DNI) 이 2000kWh/ m2a를초과해야만고효율실현가능 고효율화합물태양전지 3 중접합탠덤셀의각층별구조및집광율과온도변화에따른변환효율 - 중집광태양전지 (MCPV) 는다른 CPV 기술에비해경쟁력이낮은편임 20) ( 장단점 ) 효율이높고발전소설립시소요되는대지면적이적어서친환경 적이나고가의게르마늄등원재료를사용하여제조단가가높음 20) Current Status of Concentrator Photovoltaic Technology S.P. Philipps, A.W. Bett, K. Horowitz, S. K urtz. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems. Sept. 2015. https://www.ise.fraunhofer.de/de/ver oeffentlichungen/veroeffentlichungen-pdf-dateien/studien-und-konzeptpapiere/current-status-of-con centrator-photovoltaic-cpv-technology-in-englischer-s-prache.pdf
세부기술동향 세계최고효율은 46.0% 으로 Fraunhofer( 獨 ) 와 Soitec( 프 ) 이공동으로개발한 4 중접합구조이며, Sharp( 日 ), Toyota Technology( 日 ) 이개발진행중 - NREL( 美 ) 에서다중접합태양전지를개발하여 45.7% 효율달성발표 - Sharp( 日 ) 는 InGaP/InGaAs/Ge 3중접합셀에서최대변환효율 44.4% 에도달 - Soitec( 프 ) 은 2015년집광형광발전모듈로 38.9% 효율달성 21) - Spectrolab이개발한 InGaP/InGaAlAs/Ge 3중접합탠덤구조의화합물반도체태양전지가 40.7%(AM1.5d) 효율이며, 제품효율은집광시 35-37% - Fraunhofer Solar Systems ISE( 獨 ) 와 Concentrix( 獨 ) 사가개발한 FLATCON(Fresnel lens all-glass tandem cell concentrator) 모듈은 InGaP/InGaAs/Ge 셀에서 35.2% 변환효율달성 - Emcore( 美 ) 는 InGaP/InGaAs/Ge 셀을이용한 520배집광형시스템을개발하여옥외테스트에서최고 28.2% 변환효율 (750W/ m2 ) 달성 Soitec( 프 ), Suncore( 中 ), Arzon Solar, Foton HC, Solar Systems/Silex System 은 CPV 시스템을설치하고있으며, 누적설치용량기준 Suncore( 中 ) 이 1위를고수하고있음국내집광형변환효율은 40.46% 로, 효율개선을위한연구진행중 - 한국나노기술원강호관박사그룹은 Ge-GaAs-InGaP 3중접합화합물반도체집광형태양전지를개발하여집광시변환효율 40.46% 달성 - 한국나노기술원에서는 GaAs 단일접합으로변환효율 24.9% 달성, 2중접합으로 1sun에서 28.0% 변환효율달성 - 한국전자통신연구원에서는 2006년 GaAs 단일접합태양전지로 20.23% 효율을달성하였고, 2007년변환효율 23.7% 의이중접합태양전지셀개발 21) Four-junction solar cell developed using Soitec's expertise in semiconductor materials sets new efficiency record of 38.9% for CPV module Soitec Press Release, Jun 24, 2015. http://www.soitec.com/en/news/press-releases/article-1737/ 57
시장전망 ( 세계시장현황및전망 ) 국제에너지기구에서는 2014년말태양전지전체설치용량은 177GW 이상이라고보고하였으나, 누적설치용량중 CPV는 0.34GW를차지하며, 이는전체용량의 0.2% 에불과 - 집광형태양전지가차세대태양전지시장의 89% 를점유하고있으나, 전체시장의불투명성으로인해, 15년이후의시장은예측이어려움 연도별집광형광전지설치용량 출처 : Fraunhofer ISE - 장기적으로는 LCOE 측면에서일조조건에따라경제성이있을것으로전망
집광형태양광발전 (CPV) 과일반 PV, 태양열발전 (CSP) 의 LCOE 경제성추이 출처 : CURRENT STATUS OF CONCENTRATOR PHOTOVOLTAIC (CPV) TECHNOLOGY by Simon P. Philipps, Andreas W. Bett of Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE and Kelsey Horowitz, Dr. Sarah Kurtz of National Renewable Energy Laboratory NREL(2015) ( 주요 Key Player 시장점유율 ) Soitec, Suncore( 中 ), Arzon Solar, Foton HC, Silex System 은 CPV 시스템을설치하고있으며, 누적설치용량기준은 Suncore( 中 ) 이가장크나태양광발전과태양열의복합형공급시스템업체임 - 15년현재 Suncore( 中 ) 가누적설치용량 144MW로 1위이며, Soitec(78MW), Arzon Solar(38.4MW), Foton HC( 호 ), Silex Systems 순임 - 세계 3대생산업체인 Suncore( 中 ), Soitec, Arzon Solar가 CPV 모듈의수요대비과잉공급이예상되어추가적인생산을잠시중단한바있음 정책동향 ( 국외 ) 집광형태양전지에대한 R&D 투자확대 - ( 미국 ) SunShot Initiative 에서는전력가격을인하하기위한기술개발을지원하며, High-Performance(HiPerf) PV Project 에서기존의태양전지보다 2배이상의성능향상및태양전지시장의활성화등을목적으로고효율다중접합태양전지개발지원 - ( 일본 ) 2011 년 EU-Japan Energy Technology Cooperation Agreement 를체결하여 45% 고효율다중접합태양전지개발을지원하고, Technical University of Madrid, 59
Fraunhofer 등과협력진행
03 습식공정을이용한 CIGS 세부기술개요 ( 정의 ) 기존의진공증착기반의 CIGS 광흡수층박막을프린팅과같은비진공용액공정으로제조하여박막태양전지에적용하는기술 ( 장단점 ) 기존 CIGS 박막제조공정을비진공공정으로대체할경우재료의사용효율과생산성이크게향상됨은물론롤투롤공정과연계가쉬워대량생산화과정이용이하다는장점이있으나, 현재까지는진공공정대비낮은효율이한계점으로작용 ( 단위셀최고효율 : 진공증착법 21.7% 습식법 15.2%) ( 제조공정 ) CIGS 광흡수층의제조방법으로는용액속에기판을장입하고화학반응을통하여 CIGS 박막을형성하는전기혹은무전해도금방식, 용매에포함된입자를이용하여잉크를만들고프린팅하는입자전구체기반프린팅방식, 용액전구체를스프레이혹은스핀코팅을이용하여박막을형성하는방식이있음 - 전기도금을이용한 CIGS 박막증착은물질간표준전위가다르고차이가큰전기화학적한계가있으며, 단일 electrolyte 를이용한동시전기도금방법, 단위막을적층하는방법, 무전해도금방법을사용 - 입자형전구체로는 Cu(InGa)Se2 4원화합물입자, CuIn 또는 Ga 산화물입자, Cu-In 합금입자등다양한물질이사용되며, 나노크기의 CIGS입자의특성으로높은밀도의박막을얻을수있고, 전구체박막의조성과셀렌화후박막의조성이일치하여조성제어가수월한장점이있음 - 용액전구체이용방법은전구체물질제조가입자형전구체제조에비해매우간단하고, 전구체물질내구성원소의원자비를쉽게조절할수있다는것이장점 61
비진공방식의 CIGS 박막태양전지제조공정 세부기술동향 2015년현재 Solopower( 美 ) 를제외하고습식공정을이용한 CIGS 박막을제조하는업체는존재하지않으며, 국외대학및연구소에서관련연구를진행중임 - Solopower( 美 ) 는비진공습식공정인롤투롤공정방식으로제조 - ISET( 美 ) 은잉크코팅방식으로 CIGS 흡수층을제조하였으나, 현재는 R&D 에주력
ISET 의 CIGS Printing 공정방법 출처 : http://www.isetinc.com/technology-overview/ - IBM Thomas J. Watson Research Center 에서는 2008년하이드라진기반의용액공정에대한연구결과를발표하였으며, 2013년 15.2% 의효율달성 22) - 하이드라진기반의 CIGS 공정후 CdS, ZnO 층을용액공정으로진행하는방법은 13.8% 의효율보고 23) - Nanosolar( 美 ) 는기판을나노입자잉크또는용액전구체와접촉시켜코팅함으로써진공장비기반의공정대비생산비용을감소시켰으며, 2009년 15.3%, 2011년 17.1% 의효율보고 24) 22) Prog. Photovolt: Res. Appl. 2013; 21:82-87 (http://dx.doi.org/10.1002/pip.1253) 23) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201402288/abstract 24) https://en.wikipedia.org/wiki/nanosolar 63
Nanosolar 의비진공 CIGS 박막태양전지구조 - 나노입자를이용해서는 Texas Austin 대학의 Brian A. Korgel, Purdue University 의 Rakesh Agrawal, Washington University의 Hugh W. Hillhouse 등이연구하여 2015년 15% 효율달성국내에서는한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 한국화학연구원등에서연구가활발히이루어지고있으며, 습식공정을이용한 CIGS 기술관련특허 55건중한국과학기술연구원이 9건, 한국에너지기술연구원이 6건보유 - 한국과학기술연구원민병권박사그룹에서는전구체용액기반연구를진행하여 11.7% 효율을달성하였고, 이도권박사그룹에서는 Cu, In precursor 로나노입자합성후볼밀을이용하여슬러리를만들어코팅하는기술로 11.4% 효율보고 - 한국에너지기술연구원에서는나노입자및전구체용액, 하이브리드용액에대한연구를진행중이며, 비공식적으로 10% 대의효율달성 25) - 한국화학연구원에서는 Multiphase CISe 나노입자를 microwave-assidted solvothermal 방법으로합성하여 8.2% 의효율보고 26) - GS 칼텍스는 2011년부터비진공프린팅법을적용한 CIGS 개발을연구하였으나 2014년특허출원이후연구결과는발표된바없으며, 일신소재는전기화학증착방식으로연구하였으나 2013년이후공식적인연구결과는없음 25) http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201200096/pdf 26) http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/ee/c2ee21269b#!divabstract
태양전지분과위원 이름김영국민병권박남규박원규윤재호이동윤이병철이영실이해석홍근기 소속디씨티한국과학기술연구원성균관대학교한국나노기술원한국에너지기술연구원한국전기연구원동진쎄미켐금오공과대학교고려대학교신성솔라에너지