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태양광발전의 환경 효과와 도입 잠재량
현재 전 세계적으로 요구되고 있는 것은 저탄소 사회로의 이행이다. 이것은 지구온난화 억제 및 유한한 화석자원 의존으로부터의 탈피라는 두 가지 의미가 있다. 특히 후자는 에너지 안전보장이라는 관점에서 국가의 존망을 좌우하는 중대한 문제다.
이러한 화석연료를 대체하기 위한 것으로 재생 가능한 에너지, 즉 자연에너지에 대한 기대가 높아지고 있다. 특히 태양광발전은 그 잠재력과 일본의 강점이라는 측면에서 경제정책으로서도 기대가 높다.
유럽에서는 2020년까지 1차 에너지에서 재생 가능한 에너지 비율을 20% 끌어올린다는 방침을 세웠다. 일본도 2020년까지 이산화탄소 배출을 1990년 대비 25% 감축을 국제공약으로 발표, 재생 가능한 에너지 진흥책에도 가속이 붙고 있다.
태양광발전은 이산화탄소를 전혀 배출하지 않지만, 태양전지나 그 주변 부재를 제조, 설치할 때 에너지를 소비하고 이산화탄소를 배출하게 된다. 현재로는 제조에 필요한 에너지를 발전량에 환산해다결정 실리콘으로 약 2년, 박막 태양전지로 약 1년을 예상하고 있다. 바꿔 말하면 제조 시의 이산화탄소 배출은 비율로 따졌을 때 상당히 낮은 수치다.
현재의 장기 에너지 수급 전망에서는 가장 진전된 경우로 2020년의 태양광발전 도입량을 28GW로 예상하고 있으나 이로 인한 이산화탄소 배출 억제효과를 계산하면 발전량은 연간 280억㎾h가 된다.
1㎾h의 전력량을 얻는 데 배출되는 이산화탄소량은 석유 및 석탄 화력발전의 배출량으로 보면 0.7㎏ 정도가 되기 때문에 이산화탄소 억제 효과는 2,000만 t에 해당된다. 이것은 25% 배출 감축의 10%에 조금 못 미치는 정도에 해당하기 때문에 결코 적은 값이 아니다. 유럽의 기업단체는 세계 총 도입량을 2030년에 최대 1,800GW로 예상했다.
일본 국내에 어느 정도의 양이 물리적으로 도입가능한지 조사했더니 현실적으로 주택용만으로는 50~100GW가 한계인 것으로 보인다. 100GW라고 하면 일본 전체 전력의 10%를 충당하게 된다.
그러나 장기적으로 이산화탄소 배출 억제의 관점에서 봤을 때 100GW를 넘는 태양전지는 꼭 필요하기때문에 주택용 이외의 도입을 고려할 필요가 있다.
일본에는 아직 사용하지 않고 남아 있는 땅이 있으며, 이러한 곳을 태양광발전소로 활용하면 일본의 전체 전력을 조달하는 것도 불가능한 일은 아니다.
그러나 그렇게 되면 문제는 발전비용이다. 화석연료 수준을 실현하지 못한다면 그것은 모두 탁상공론에 그치고 말 것이다.
태양광발전의 비용 저감 가능성
현재의 태양광발전 시스템 가격은 가정용 표준인 3㎾ 시스템이 180만 엔 정도다. 이에 따른 발전비용은 수명을 20년으로 보고 금리를 4%, 유지비를 0엔으로 가정하면 약 46엔/㎾h로, 가정용 전력요금의 2배가 된다. 금리를 고려하지 않는다면 30엔/㎾h가 되며, 이는 피크 전력요금과 거의 같다. 다시 말해 20년간 고장이 나지 않으면 간신히 본전을 찾을 수 있는 데까지 올 수 있다는 뜻이 된다. 일본의 NEDO(신에너지산업기술개발기구)가 발표한 기술로드맵에서는 이 발전비용을 2020년경까지 15엔/㎾h, 2030년까지 7엔/㎾h 달성을 목표로 하고 있다. 여기에 대응하는 모듈(태양전지 본체)의 제조원가는 1W당 각각 75엔과 50엔이다. 그렇다면 지금까지 低비용화를 추구한 기술 혁신의 포인트와 앞으로 추구해야 할 것은 무엇인가?
현재 태양전지의 주류는 웨이퍼 베이스의 결정 실리콘이다. 결정 실리콘은 단결정과 다결정으로 분류된다. 단결정은 실용 사이즈에서의 변환 효율 최고치가 23% 정도이며, 다결정은 19% 정도다. 과거 20년간의 비용 추이를 보면, <그림 1>에서 보듯 생산량에 대해 이른바 20% 습숙곡선(Learning Curve, 총 생산량이 2배 증가하면 가격이 20% 내려간다)에 따라 비용이 떨어진다는 것을 확인할 수 있다.
 이것을 보면 결정 실리콘 태양전지가 1W당 50엔(500달러/㎾)에 도달하는 데 상당한 도입량이 필요함을 알 수 있다. 실험실 수준에서도 과거 최고 효율이 24.7%였던 것을 감안하면 효율의 증가 여지는 더 이상 없을 것으로 보인다. 앞으로의 과제는 오히려 어떻게 비용을 낮출 것인가로 초점을 옮겨야 한다. 또한 양산성이 높은 간편한 방법으로 높은 효율을 유지하는 기술 개발이 중요하다.
실리콘의 비용을 내리는 방법은 두 가지로, 하나는 실리콘의 사용량을 낮추는 것이며 다른 하나는 실리콘의 원료비용 자체를 낮추는 것이다. 전자는 박형화다. 수년 전에는 웨이퍼의 두께가 300미크론 정도였지만 현재는 약 160미크론까지 얇아졌다. 앞으로는 100미크론을 향한 기술 개발이 주류가 될 것이다. 고효율을 유지하기 위해서는 표면의 결함을 부동태화(不動態化) 하는 기술과 빛의 이용 효율을 높이는 기술이 필요하다. 특히 후자는 실험실 수준에서는 포토리소그래피(Photolithography)를 이용하는 반면, 양산에서는 비용에 무리가 있기 때문에 레이저에칭(Laser Etching) 등의 새로운 방법이 개발되고 있다. 또 하나는 반도체용 고순도 실리콘을 만드는 공정에는 없는 간편한 야금(冶金)적 방법을 이용해 다소 불순물은 많아도 가격이 저렴한 재료를 잘 활용하려는 기술 개발을 들 수 있지만, 현재로는 그러한 재료를 사용해도 효율적으로는 거의 차이가 없는 것으로 밝혀졌다. 최근에 발표된 결정실리콘 태양전지의 효율 일람을 <표 1>에 나타냈다.
 원료의 사용량을 보다 줄일 수 있는 선택지는 박막 실리콘 태양전지다. 박막 태양전지는 실리콘의 두께가 고작 수 미크론으로, 웨이퍼 두께와 비교하면 1/1,000~1/100 정도다. 박막 실리콘 재료의 대표적인 것으로는 어모퍼스 실리콘, 어모퍼스 실리콘 게르마늄, 미결정 실리콘 등이 있으며, 각각의 밴드갭(Band Gap)은 1.7eV, 1.3~1.5eV, 1.1eV 정도다. 어모퍼스 실리콘이나 어모퍼스 실리콘 게르마늄은 단체(單體)만으로는 충분한 효율을 얻을 수 없기 때문에 현재의 주류는 이것을 조합한 다접합형 태양전지가 사용되고 있다. 시스템 비용을 고려하면 효율이 낮을 경우 태양전지 자체가 싸도 시스템 비용이 내려가지 않기 때문에 아무리 낮더라도 10% 정도의 모듈(패널) 효율이 필요하다. 어모퍼스 실리콘 단접합의 모듈 효율은 현재 6~7% 정도이며, 다접합은 8~9%로, 곧 10%에 도달할 수준까지 왔다.
그러나 다결정 실리콘이나 단결정 실리콘과 비교해 효율은 절반 정도이고, 더욱 재료의 고품질화에 의해 고효율화 하는 것이 필요하다. 특히 톱 셀(Top Cell)이 되는 어모퍼스 실리콘의 광열화 현상에 의한 효율 저하가 아직도 문제되고 있다. 2003년경에 광열화 후의 안정화 효율로 9.5%를 기록한 이후 한동안 진전이 없었지만 2009년에 10%를 넘는 보고가 있었다. 이것은 원리적으로 박막 실리콘 탠덤(Tandem)의 태양전지 효율에서 15%가 사정거리안에 들어왔음을 의미한다. 박막 실리콘 태양전지는 자원의 양적으로 볼 때 대규모 전력용으로서 각광받고 있으며 효율 과제가 해결되면 점점 활기를 띨 것이다.
실리콘 이외의 태양전지 개발도 최근 몇 년 동안 활발히 진행되고 있다. 그중 하나가 단결정 화합물 반도체에 의한 초효율 태양전지로, <그림 2>와 같이 비용 절감을 위해 렌즈나 거울에 의한 집광 광학계와 결합해 면적을 수 백 분의 일로 축소해 사용하고 있다. 200~1,000배의 집광 하에 40%가 넘는 셀 효율과 30% 정도의 모듈 효율이 보고되고 있지만, 이 시스템의 문제점은 화창한 날씨의 직달광(直達光)으로만 발전한다는 것과 태양을 추미(追尾)해야 한다는 사실이다. 이것은 비용 및 장기 신뢰성과 동시에 설치장소를 선택해야 하는 과제가 남아 있다.
 화합물 박막계에서 가장 주목을 받고 있는 것은 퍼스트솔라(First Solar)社를 중심으로 한 CdTe 태양전지로, 모듈 효율은 9~10% 정도지만 제조비용이 저렴하고 가격 경쟁력이 가장 높은 것으로 알려져 있다. 퍼스트솔라社는 급속한 생산량 증가로 지금은 세계 2위의 대기업으로 발전했다. 과제는 Cd(RoHS 지령 대상 물질이다)와 희소원소인 Te의 공급이다. Cd의 문제는 모듈을 관리된 장소에서 밖에 설치하지 못하는 한편, 리사이클을 전제로 판매함으로써 해결하고 있다. Te는 현재의 생산량을 고려할 때 수 GW밖에 생산할 수 없으며 자원 입수에 관한 정보도 아직 불투명하다.
황동석(Chalcopyrite)계 재료인 CuInSe₂도 움직임이 활발하다. 이 재료계는 작은 면적에서의 최고 효율이 20%로 높다. <표 2>에 현재 상황에서의 시판 모듈 효율(약 11%)이 나타나 있다. 현시점에서는 최고 효율 셀과의 격차가 크지만 향후 효율 향상 잠재력이 높다는 점과 Cu(InGa)Se₂및 Se에 S를 치환하는 등 다원화에 의해 밴드갭을 제어할 수 있으며, 같은 재료계에서 다접합 디바이스(Device)가 가능하면 보다 높은 효율을 기대할 수 있다. 최근에는 미국의 벤처기업(나노솔라社)이 원료를 포함한 잉크를 플렉시블 기판(알루미늄포일(Aluminium Foil))에 연속적으로 도포, 소성(燒成)함으로써 염가에 대량 생산할 수 있는 기술을 개발 · 발표했다.
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장래 저비용 태양전지의 유력 후보로 주목받고 있는 것은 색소증감과 유기박막이다. 반도체와 같이 도핑이 어려운 이들 계에서는 일함수(Work Function)가 다른 이종재료 간의 캐리어(Carrier)주입 분리 기구가 발전의 기본 원리가 되며, 소위 기존 반도체와는 다른 원리로 발전하는 것으로 이해되고 있다. 최근의 주된 효율 보고 사례를 <표 3>에 나타냈다. 내구성 및 효율 향상 등 아직 과제가 많아 전력용으로서 실용화 되는 것은 당분간 시간이 걸릴 것으로 보인다. 다만 최근 유기 EL의 진전을 살펴보면 실용화도 그렇게 먼 미래가 아닐지 모른다. 시작은 민생용 틈새시장(Niche Market)에서부터 일 것이다.
 시스템에서의 과제
태양광발전을 전력원으로 봤을 때 최대 문제는 발전량이 일정하지 않다는 것이다. 특히 도입량이 적을 때는 괜찮겠지만, 예를 들어 전체 전력의 10%를 태양광발전으로 충당하려고 한다면 이를 어떻게 일정하게 공급할 것인가는 본질적인 문제가 된다. 가장 단순하게는 축전지에 의해 변동을 평준화하는 방법이다. 그러나 주택 한 채마다 축전지를 설치하는 방법은 비경제적이며, 현실적이지 않다. 분(分)정도의 비교적 단기간 변동은 넓은 지역에서 생각해 보면 개별 변동은 어느 정도 평준화 되어 있으며, 축전지 용량도 태양전지 용량보다 적어질 수 있다.
대규모 축전지로서 NaS 전지와 Li-이온 전지가 그 후보가 되겠지만, 전력용으로서는 보다 비용을 낮출 필요가 있다. 전국적으로 비가 내린다거나 야간과 같은 긴 주기의 변동에 대해서는 양수발전이나 조정화력발전과의 조합이 필요하다. 그러나 이를 위해서는 어느 정도 사전에 수요 예측이 되어 있어야 한다. 즉, 발전량의 사전 예측을 필요로 하게 되
는 것이다. 이는 쉽게 말해 일기예보를 뜻하는 것이지만, 보다 국소적이고 정밀도 높은 예측이 필요하다. 이 예측 정밀도가 나쁘면 조정화력발전이 대기상태로 있을 필요가 있으며, 연료 효율을 악화시키고, 태양광발전의 도입 장점을 저하시킨다.
해외시장 동향
<그림 3>과 같이 세계 도입량에서 한때 최고를 자부한 일본시장이 이젠 세계 3위로 전락했다. 연간 도입량에서는 2008년의 경우 스페인, 독일, 미국, 한국, 이탈리아에 이어 6위까지 후퇴했다. 상위를 독점하고 있는 것은 전력고정매입제도(Feed-in Tariff)를 도입하고 있는 유럽이다. 이것은 태양광발전에서 발전한 전력을 시가의 2배 이상의 금액으로 약 20년 동안 장기간 사들이는 제도로, 이로 인해 태양광발전은 투자 비즈니스로 갑자기 확대됐다.
이 고가 매입의 바탕이 되는 자금은 일반 전기요금에 전가되며, 다시 말해 얇고 넓게 징수되는 방식이다. 이 방식은 득과 실에 따라 시장의 확대 여부가 분명히 나뉘기 때문에 적절한 매입 가격 설정에 어려움을 겪는다. 실제 스페인에서 2008년 너무 비싼 매입 가격으로 시장이 과열되고, 제도 자체에 대한 파탄 공세로 인해 다음해부터는 도입량에 상한을 설정하게 됐다.
 장기적 기술 과제
장기적 과제는 필시 20년 이상 앞서 실용화를 기대할 수 있는 상당히 높은 수준의 기술이겠지만 위험 부담이 있다. 2030년경의 태양광발전을 둘러싼 상황을 추론하면, 결정 실리콘에서는 모듈 효율17~20%, 박막 태양전지에서도 15% 이상이 최저로 달성될 것으로 예상된다. 즉, 새로운 기술은 이것을 비약적으로 넘는 성능 혹은 비용을 실현할 필요가 있는 것이 될 것이다. 용도에 따라서는 높은 효율을 필요로 하는 경우가 있다. 예를 들어 전기자동차의 동력원으로 태양광발전을 고려하면 40% 이상의 효율이 없으면 에너지가 부족하다. 모바일 기기의 충전용으로 생각해도 다기능화에 의한 소비전력의 증가가 효율 향상을 요구하고 있다.
현실적으로 40% 이상의 변환 효율은 셀 수준에서는 GaAs 베이스의 다접합형 디바이스를 이용해 집광 하에서 이미 실용화 됐다. 집광형은 집광을 위한 광학계와 태양광을 항상 추미하기 위한 기계계가 필요하며, 전자는 비용과 장기 신뢰성이, 후자는 설치장소의 보편성이 과제가 된다. 또한 셀에서의 효율이 높아도 광학계의 손실이 있기 때문에 실제 시스템에서의 모듈 효율은 30%를 조금 못 미치며, 날씨에 대한 의존성이 일반 평판형에 비해 강한 것을 고려하면 더욱 효율 개선이 필요하다.
태양전지의 궁극적인 변환 효율은 70% 정도로 예상되고 있지만 그것은 앞에서 논한 것과 같은 다접합형 단수를 끝없이 늘림으로써 실현시킬 수 있다. 그러나 실제 디바이스 프로세스를 고려하면 그것은 거의 비현실적이다. 그래서 생각해낸 것이 양자구조를 이용하는 방법이다. 변환 효율의 향상은 고에너지광의 열 완화에 의한 에너지 손실과 저에너지광의 투과 손실 이 두 가지를 얼마나 최소화 하는가에 달려 있다. 전자는 보통은 밴드갭이 큰 재료로 전압 손실을 작게 하지만, 하나의 광자를 두 그룹의 캐리어로 분할한다. 즉, hv=2h(v/2)(h는 플랑크 상수(Planck's Constant), v는 정수)로 해 전압손실을 전류에 치환하는 방법이다. 이것은 다중 여기자(勵起子) 생성이라 불리는, <그림 4>에 나타난 것과 같이 예를 들어 밴드갭 에너지 Eg에 대해 2Eg이상의 광 에너지가 입사됐을 때 전자는 여기 상태에서 저에너지로 완화할 때 방출되는 에너지로 다른 전자가 여자되어 결과적으로 2개의 엑시톤(Exciton)이 형성된다. 이것은 벌크 반도체에서는 거의 일어나지 않으며, 양자 도트 내에서의 에너지 준위(Energy Level)의 이산성(離散性)과 그에 동반되는 오거(Auger) 냉각 속도의 저하로 인해 양자 도트에서만 특징적으로 관측되는 현상이다. 과제는 양자 도트에서의 캐리어 추출이다. 양자 준위는 간단하게는 무한히 높은 장벽에 둘러싸여 발생하기 때문에 태양전지에서의 캐리어 추출이란 기본적으로 모순되는 요소를 포함하게 되며, 태양전지로서의 원리 실증에는 아직 시간이 걸릴 것으로 보인다.
  도트에서만 특징적으로 관측되는 현상이다. 과제는 양자 도트에서의 캐리어 추출이다. 양자 준위는 간단하게는 무한히 높은 장벽에 둘러싸여 발생하기 때문에 태양전지에서의 캐리어 추출이란 기본적으로 모순되는 요소를 포함하게 되며, 태양전지로서의 원리 실증에는 아직 시간이 걸릴 것으로 보인다.
다른 빛의 유효이용 예로서 중간 밴드 태양전지가 거론된다. 이것은 앞의 발상과는 반대로 태양광에서 버려진 장파장의 광을 유효하게 이용해 발전에 활용하려는 것으로, <그림 5>와 같이 복수의 패스(Path)에서 전자 정공대를 생성하는 것을 의도한다. 보통은 가전자대에서 전도대로 직접 1광자 흡수로 여기되지만, 가전자대에서 중간 밴드를 사이에 두고 전도대에 2광자로 여기되는 과정이 동시에 존재하기 때문에 장파장의 광을 발전에 이용하는 것이 가능하다. 그 결과 적절한 밴드갭 조합으로 기존 3직렬 탠덤보다 고효율을 실현할 수 있으며, 최고 60%가 넘는 변환 효율이 가능해진다.
마무리
일본은 자원이 없는 국가지만 오히려 그것을 장점으로 오늘날까지 에너지 절약 기술, 환경 기술, 신에너지 기술에서 두각을 나타내고 있다. 1970년대의 오일쇼크는 일본을 자원 절약 기술로 눈을 돌리게 했다는 점에서 의의가 있다. 태양광발전도 오일쇼크를 계기로 마련된 선 샤인 계획에 의해 세계적 수준의 기술력을 획득했으나 비용 측면에서는 얼마간의 보조정책이 없으면 아직 시장에서 자립할 수 없는 상태다.
많은 국가가 국가 보조정책 및 도입 촉진정책으로 태양광발전 기술을 발전시키고, 비용 저감을 도모하기 위해 애쓰고 있다. 이렇게 하는 이유는 지구온난화는 더 이상 늦출 수 없는 문제라는 점과, 지금부터 이산화탄소 배출에 대한 배출권 문제나 화석연료 비용의 앙등이라고 하는 정치적 측면을 포함한 문제 해결을 유리하게 추진할 수 있기 때문이다. 또한 태양전지의 시장은 막대하다. 어쩌면 앞으로는 액정 디스플레이나 반도체보다 더 큰 시장이 될 수도 있다. 바꿔 말하면 이것은 국가의 기간산업이 될 가능성이 있다.
일본을 비롯해 에너지 자원을 가지지 않은 나라에서는 에너지 창조 기술을 확보하는 것이 국가의 지속적인 발전을 위해 필수불가결한 요소인 동시에 국가의 전략으로서도 매우 중요하다.
<Energy News>
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