“따라올 테면 따라와 봐”… 태양광 초격차 이끌 차세대 기술은?

오늘날 삼성전자의 영광을 이끈 주역인 권오현 전 삼성종합기술원 회장은 ‘초격차(超格差)’라는 경영방침으로도 유명합니다. ‘비교 불가능한 절대적 기술 우위’를 바탕으로 상대방과의 격을 달리 한다는 뜻이죠. 이는 탄소제로 사회를 앞두고 여러 분야에 걸쳐 치열한 기술 경쟁이 벌어지고 있는 현재에도 큰 울림을 줍니다. 

오늘날 태양광 시장은 한치 앞을 예상할 수 없는 혼전 양상입니다. 특히 규모의 경제를 앞세운 중국 업체들의 저가 공세는 우리에게 큰 부담으로 다가오고 있습니다. 중국은 태양광 생산 전력을 석탄발전 전력보다 최소 50% 이상 비싸게 구입하는 등 정부 차원의 대규모 지원책으로 태양광 산업을 선점해나가고 있습니다.

미국은 얼마 전 국방물자생산법(DPA) 발동을 통해 국가 안보에 필요한 물품을 생산 업체 손실 여부와 무관하게 우선 조달할 수 있도록 했습니다. 여기에 태양광 부품이 대거 포함됐는데요, 바이든 정부가 태양광을 국가 안보와 직결된 분야로 인식했다는 분석입니다. 미국은 이에 더해 태양광세액공제법(SEMA) 법안을 발의하는 등 대규모 보조금을 지급할 준비에 나서고 있습니다.

유럽연합(EU)은 리파워EU(REPowerEU)를 통해 태양광 산업에 2,100억 유로를 투자할 계획을 밝혔습니다. 여기에는 재생에너지 인허가 절차를 간소화하는 등 관련 산업 활성화를 위한 실질적 대책도 담겼습니다. 

고효율 태양전지 ‘탠덤 셀’, 한국이 세계 최고 수준

그렇다면 우리나라는 어떻게 대응하고 있을까요? 정부와 대기업이 손잡고 초격차를 통한 태양광 시장 선점에 나섰습니다. 미래를 이끌 원천기술 확보에 나선 것인데요, 그 대표주자가 ‘탠덤 셀(Tandem Cell)’입니다. 

기존 태양광 셀의 주재료인 폴리실리콘은 큰 단점이 하나 있습니다. 바로 효율이 매우 떨어진다는 점인데요, 이론상 아무리 효율을 높여도 30%을 넘기 힘듭니다. 문제를 해결하기 위해선 폴리실리콘 위에 페로브스카이트(PSC)를 쌓아 효율을 높여야 하는데, 이것이 바로 탠덤 셀입니다. 

탠덤 셀은 ‘페로브스카이트’라는 유기소재를 활용하여 태양광 발전층을 ‘이중(tandem)’으로 구성한 것이 특징입니다. 긴 파장의 빛을 흡수하는 기존의 실리콘 셀 위에 짧은 파장을 흡수하는 페로브스카이트(PSC) 층을 얇게 얹은 것인데요, 덕분에 긴 파장의 빛만 흡수하고 짧은 파장의 빛은 반사해서 효율을 일정 수준 이상으로 올리기 어려웠던 실리콘 셀의 한계를 극복했습니다. 탠덤 셀이 태양빛을 받으면 우선 가장 위쪽의 페로브스카이트층에서 실리콘이 흡수하지 못하는 짧은 파장의 빛을 흡수해 발전하고, 나머지 긴 파장의 빛이 아래쪽의 실리콘 셀이 흡수하지요. 이를 통해 이론적으로는 최대 44%까지 효율을 높일 수 있다고 합니다. 

국내에서는 울산과학기술원(UNIST), 한국화학연구원에서 관련 연구를 진행하고 있습니다. 특히 한화큐셀은 관련 국책 연구 과제를 수행하며 최근 미국 국립신재생에너지연구소로부터 28% 이상의 공인 효율을 인정받았는데요, 이는 영국 옥스퍼드 PV와 함께 세계 최고 수준으로 평가받습니다. 

탠덤 셀은 기존 실리콘 셀의 한계 효율을 뛰어넘을 수 있는 유력한 초격차 기술 후보입니다.

이에 대한 국내 기술력 역시 세계 최고 수준을 자랑하고 있습니다. © 한화큐셀

탠덤 셀의 대량생산 가능성도 열렸습니다. 탠덤 셀의 아이디어 자체는 간단해 보이지만 상용화는 더딘 편인데요, 페로브스카이트를 덮은 실리콘 셀을 1㎠ 이상의 넓은 면적으로 만들기 어렵기 때문입니다. 그런데 최근 한화큐셀이 한 변이 6인치인 정사각형(M6) 탠덤 셀을 개발하는 데 성공했다고 발표하면서, 탠덤 셀이 기술적 가능성을 보여주는 데 그치지 않고  더 나아가 상용화 문턱까지 이르렀다는 평입니다. 한화큐셀은 2025년부터 새로운 기술을 적용한 태양광 셀을 본격적으로 양산할 계획입니다. 

탠덤 셀이 양산되면 기존 태양광 셀보다 높은 효율을 바탕으로 건축물, 이동수단 등에 다양하게 활용될 것으로 기대되는데요, 현대자동차도 페로브스카이트 탠덤 셀을 활용한 차량용 ‘솔라 루프(solar roof·차지붕 태양전지)’를 개발 중입니다. 솔라 루프는 현재 시판중인 차량에도 적용되는 기술이지만 기존의 실리콘 태양전지로는 만족할만한 효율이 나오지 않았는데요, 효율 높은 탠덤 셀이 적용된다면 자동차의 보조 충전장치로서 에너지 비용 절감에 톡톡히 역할을 해낼 것으로 기대됩니다.

쏘나타 하이브리드 솔라루프의 충전 원리 © 현대자동차그룹 

실리콘 태양광 셀의 한계를 극복!

초고효율에 도전하는 ‘이종접합 기술’

한화큐셀과 함께 국내 태양광 기술을 이끄는 쌍두마차인 현대에너지솔루션(이하 현대엔솔)도 태양광 초격차 기술에 도전장을 냈습니다. 현대엔솔은 탬덤셀의 상용화에 시간이 걸릴 것으로 보고 기존의 실리콘 셀의 효율을 높이는 쪽으로 가닥을 잡았는데요, 이를 위한 기술이 바로 이종접합기술(HJT)입니다. 현재 널리 이용되는 태양광 셀은 결정이 고른 실리콘으로 이루어진 ‘단결정 실리콘’을 사용하고 있는데요, 여기에 결정 형태가 다른 비정질 실리콘을 코팅하는 방식입니다.

비정질 실리콘은 결정 구조가 규칙적이지 않은 실리콘입니다. 실리콘 결정을 정밀하게 만들 필요가 없어 단결정 실리콘에 비해 생산단가가 저렴한 데다, 단단한 단결정 실리콘에 비해 다양한 소재의 표면에 얇게 코팅하기에 유리합니다. HJT는 단결정 실리콘 셀을 비정질 실리콘으로 둘러싸서 단결정 셀에서 반사되거나 통과하는 빛을 붙잡아 발전함으로써 효율을 높입니다. 쉽게 말하면 기존의 태양광 셀을 아주 얇은 태양광 셀로 한겹 더 둘러싸서 도망치는 빛을 잡아 발전에 활용하는 셈이지요. 현대엔솔은 HJT 기술을 적용하면 기존의 태양광 셀보다 2%포인트 더 높은 효율을 달성할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다. 수치로 보면 얼마 안 되어 보이지만 태양광 발전량 전체를 생각하면 만족스러운 성능입니다. 한국에너지공단 조사자료 기준으로 2020년 국내 태양광 발전 총량이 19TWh였는데, 2%의 성능 향상이면 연간 380GWh를 더 생산할 수 있다는 뜻입니다. 2020년 1인당 전력 소비량이 약 MWh니 38,000명이 1년 동안 쓸 전기를 더 생산하는 셈이지요. 게다가 다른 소재에 부착하기 쉬운 비정질 실리콘 코팅 덕분에 향후 탠덤 셀로 업그레이드하기도 쉽습니다.

이종접합셀의 구조와 원리. 가운데의 N-type 실리콘층이 기존의 결정질 실리콘 셀이고

위 아래에 울퉁불퉁하게 표현된 부분이 비결정질 실리콘 코팅입니다. 노란 화살표로

표현된 빛이 태양광 셀에 들어오면 결정질 실리콘층을 통과하거나 반사된 태양광을

포착해서 전기를 추가로 생산합니다. © Sunpower Energy

정부 역시 기술 초격차를 위한 연구개발에 지원을 아끼지 않고 있습니다. 대표적인 것이 세계 최대 규모를 자랑하는 100㎿급 태양광 기업공동활용연구센터인데요, 2023년 중반 준공을 목표로 대전 유성구 국제과학비즈니스 내에 건설 중입니다. 총 면적은 9,840m2(약 3,000평), 사업비는 477억에 이릅니다. 

기업공동활용연구센터는 기업들이 태양광 소재‧부품‧장비를 테스트할 수 있도록 태양전지 클린룸, 모듈 항온항습실, 100MW급 태양광모듈 제조장비 등을 구축할 예정입니다. 정부는 이를 통해 탠덤 셀 양산화 기술을 개발하고, 2030년까지 태양전지 효율 35%를 달성하는 등 초격차 기술을 확보하겠다는 방침입니다. 탄소중립 시대, 기후위기 대응 뿐 아니라 경제적으로도 태양광 기술이 중요해 지고 있는데요, 압도적인 기술격차를 바탕으로 우리나라가 탄소제로 시대를 선도할 수 있기를 기대해봅니다.

정부 역시 태양광 초격차 기술 확보에 총력을 기울이고 있습니다. 현재 대전에 건설 중인 100㎿급 태양광 기업공동

활용연구센터는 많은 태양광 기업들의 기술 개발을 위한 테스트베드 역할을 충실하게 수행할 예정입니다. 

© 산업통상자원부