태양 에너지는 언젠가 우리들의 주된 에너지원이 될 것인가? 가격은 낮아지고 효율은 높아지고 있다. 하지만 이 많은 기술들 중에서 어떤 것을 선택할 것인가? 언제 우리는 한 가지 혹은 두어 가지 기술로 정착하고 힘있게 밀고 나갈 것인가? 전력망으로는 어떻게 통합할 것인가? 혹은 통합하지 못할 것인가?



태양 에너지는 한때 첨단 우주선이나 소수의 특이한 장비에만 사용되는 것으로 여겨졌으나, 오늘날에는 몰라보게 진보를 이루었다. 지난 십여 년 사이에, 극히 적은 비중을 차지하던 전력원에서 미국 및 전세계 에너지 판도에 있어서 중추적인 역할을 하는 것으로 탈바꿈했다.

지구는 꾸준히 약 173,000 테라와트(TW)에 이르는 태양 복사를 받는다. 이것은 평균적인 전세계 전기 수요의 10배 이상에 달하는 것이다.^[1] 다시 말하면 태양 에너지가 우리의 모든 에너지 필요량을 충족할 수 있다는 뜻이다.

미국의 총 전기 생산량에서 태양 에너지가 차지하는 비중은 2022년에 4.95퍼센트에서 2023년 상반기에 5.77퍼센트로 증가했다.^[2] 2022년에 미국의 에너지 생산량에서 주로 천연 가스와 석탄으로 이루어진 화석 연료가 60.4퍼센트를 차지하기는 했으나,^[3] 태양 에너지의 영향력이 커지고 있고 태양광 기술이 빠르게 진보하고 있다는 것을 알 수 있다.

태양광 셀 유형

현재 시장에는 세 가지 범주의 태양광 셀이 존재한다. 결정형, 박막형, 신생 기술이다. 각각이 효율, 비용, 수명 측면에서 나름의 강점들을 가지고 있다.

결정형(crystalline)

주택 지붕에 설치되는 태양광 패널은 대부분이 고순도 단결정 실리콘이다. 이 유형의 태양광 셀은 최근에 26퍼센트가 넘는 효율과 30년 이상의 내구성을 달성하고 있다.^[4] 실제로 오늘날 주택용으로 가능한 최대 효율은 약 22퍼센트이다.

다결정 실리콘은 단결정보다 덜 비싸지만 효율이 떨어지고 수명이 더 짧다. 효율이 낮다는 것은 더 많은 패널과 더 많은 면적을 필요로 한다는 뜻이다.

다중 접합 갈륨 아세나이드(GaAs) 기술에 기반한 태양광 셀은 통상적인 태양광 셀에 비해서 더 높은 효율을 제공한다. 이 유형의 태양광 셀은 갈륨 인듐 인화물(GaInP), 인듐 갈륨 아세나이드(InGaAs), 게르마늄(Ge) 같은 각기 다른 소재로 이루어진 층들을 사용하고, 각각의 층이 다양한 파장의 햇빛을 흡수하도록 설계된다. 이러한 다중 접합 셀은 장래성 있는 효율에도 불구하고, 높은 제조 비용이라는 측면에서 과제를 안고 있으며 추가적인 연구개발을 필요로 한다. 그럼으로써 현재로서는 상업적 가능성과 실제 응용 면에서 한계가 있다.



박막형(thin film)

글로벌 시장에서 가장 주요한 박막형 제품은 카드뮴 텔루라이드(CdTe) PV 모듈이다. 전세계적으로 수백만 개의 이러한 모듈이 설치되고 있으며, 30GW 이상의 피크 발전 용량을 제공하고 있다. 주로 미국의 유틸리티급 발전소들에서 사용되고 있다. 그런데 카드뮴의 유독성과 텔루라이드의 입수 가능성과 관련해서 염려가 제기된다.

이 박막형 기술은 1m²의 태양광 모듈로 카드뮴 함량이 AAA 사이즈 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 배터리보다 낮다. 뿐만 아니라 태양광 모듈 내에서 카드뮴이 텔루륨에 결합되어 있으므로, 물에서 불용성이고 1200℃까지 안정적이다. 이러한 점들이 박막형 셀로 CdTd를 사용하는 것에 따른 유독성 위험을 완화한다.

텔루륨은 지구 지각의 약 0.001 ppm(parts per million)에만 존재한다. 지구 지각으로 플래티넘이 희귀한 것과 마찬가지로, 이 점이 CdTe 모듈 가격에 중대하게 영향을 미친다. 다만 리사이클링이 텔루륨의 희귀성에 긍정적으로 영향을 미칠 수 있을 것이다.

CdTd 모듈은 최대 18.6퍼센트의 효율을 제공하며, 시험실 차원의 셀 효율은 22퍼센트를 넘는다.^[5] 오랫동안 사용되어온 구리 도핑을 비소 도핑으로 대체함으로써 결정형 셀에 필적하는 훨씬 더 우수한 모듈 수명을 달성할 수 있을 것이다. 

신생 기술들

초박막(1μm 미만) 및 단순 증착 기법을 사용한 신생 PV 기술들이 생산 비용을 낮추고 태양광 셀 용으로 고품질 반도체를 제공할 것으로 기대된다. 이러한 기술들이 Si, CdTe, GaAs 같은 기존 소재들에 대해서 경쟁자로서 부상하고 있다.^[6] 이러한 측면에서 세 가지 주목할 만한 박막 기술이 구리 아연 주석 황화물(Cu2ZnSnS4 혹은 CZTS), 아연 인화물(Zn3P2), 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)이다. 시험실 환경에서 구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS) 태양광 셀은 22.4퍼센트의 인상적인 피크 효율을 달성하고 있다. 하지만 상용화 차원에서 이러한 효율을 달성하는 것은 여전히 과제이다.^[7]

가장 주목을 끄는 신생 태양광 기술은 납 할로겐화물 페로브스카이트 박막 셀이다. 페로브스카이트는 결정 구조의 전형적인 화학식이 ABX3인 물질 계열이다. 주로 티탄산 칼슘(CaTiO3)으로 이루어진 노란색이나 갈색이나 검정색 광물이다. 영국의 Oxford PV가 개발한 상용화 규모의 페로브스카이트-온-실리콘 탠덤 태양광 셀은 28.6퍼센트의 기록적인 효율을 달성했으며 올해 생산에 들어갔다.^[8]

불과 몇 년 만에 페로브스카이트 태양광 셀은 기존 CdTe 박막 셀에 버금가는 효율을 달성하고 있다. 초기 페로브스카이트 R&D 시에는 수 개월에 불과한 수명이 큰 문제였다. 하지만 최근에는 개선을 통해서 수명을 25년 이상으로 늘리게 되었다. 현재의 페로브스카이트 태양광 셀은 높은 변환 효율(25퍼센트 이상)을 달성하고 있으며 낮은 온도로 생산 비용을 낮추도록 한다. 

표 1은 시험실 R&D 테스트 차원에서 주요 셀 유형의 변환 효율을 비교해서 보여준다.


표 1: 주요 태양광 셀 기술의 시험실 테스트 결과 (출처: 저자)
 

PV 기술		변환 효율
		셀	모듈
결정형	단결정 Si	27.6%	24.4%
	다결정 Si	23.3%	20.4%
	다중 접합 GaAs	47.6%	38.9%
박막형	CdTe	22.3%	19.5%
	CIGS	23.6%	19.2%
차세대 기술	페로브스카이트/Si/ 탠덤	33.7%	—
	페로브스카이트	26.0%	17.9%
	유기	19.2%	13.1%

차세대 태양광 셀 시장의 규모는 2023년에 30억 달러에서 2028년에 74억 달러로 커질 것으로 전망된다. 이것은 19.5퍼센트의 CAGR(연 평균 성장률)에 해당된다.^[9]

통합적 태양광 패널 구축

어떤 태양광 셀들은 태양 스펙트럼의 일부만을 포착하고 가시 광선은 통과시키도록 설계된다. 염료 감응형(dye-sensitized) 태양광 셀(DSC)이라고 하는 이러한 투명 셀은 1991년에 스위스에서 개발되었다. 최근의 연구개발은 DSC를 더 효율적으로 만들게 됨으로써 머지않아 이러한 태양광 패널이 시장에 등장하는 것을 보게 될 것이다.

또 어떤 회사들은 무기 나노입자를 유리의 폴리카보네이트 인터레이어로 주입한다. 이 기술은 나노입자가 빛 스펙트럼의 특정 부분을 유리의 가장자리로 향하도록 하고 스펙트럼의 대부분을 통과시킨다. 유리 가장자리로 빛을 모은 다음에 이것을 태양광 셀로 수확한다. 더불어, 투명 태양광 유리창과 빌딩 외면에 페로브스카이트 박막 소재를 사용하는 것에 관한 연구가 진행되고 있다.

태양광에 필요로 하는 원재료들

태양광 발전을 늘리기 위해서는 실리콘, 은, 구리, 알루미늄 같은 필수 원재료 채굴에 대한 수요 또한 늘어날 것이다. 미국 에너지부에 따르면, 금속급 실리콘(MGS)의 전세계 생산량 중에서 약 12퍼센트가 태양광 패널 용의 폴리실리콘에 사용된다고 한다.^[10]

중국은 이 분야에서 최대 주자로서, 2020년에 전세계 MGS의 약 70퍼센트를 생산하고 전세계 폴리실리콘 공급에 있어서 77퍼센트를 차지했다.^[11] 실리콘을 폴리실리콘으로 변형시키기 위해서는 극히 높은 온도가 필요하다. 중국은 이 공정을 주로 석탄을 사용해서 처리한다. 신장 지역이 석탄이 풍부하고 전기 요금이 저렴한 것으로 알려져 있으며, 전세계 폴리실리콘 생산의 45퍼센트를 차지하고 있다.^[12]

태양광 패널 생산은 또한 전세계 은의 약 10퍼센트를 소비한다. 멕시코, 중국, 페루, 칠레, 오스트레일리아, 러시아, 폴란드에서 주로 이루어지고 있는 은 채굴은 중금속 오염과 현지인 이주 같은 문제들로 이어질 수 있다.

구리와 알루미늄 채굴 역시도 토지 이용 문제를 제기한다. 미국 지질 조사국에 따르면, 전세계 구리 생산에 있어서 칠레가 27퍼센트를 차지하고, 그 다음은 페루(10퍼센트), 중국(8퍼센트), 콩고 민주 공화국(8퍼센트) 순이다. 국제 에너지 기구(IEA)는 2050년에 전세계가 100퍼센트 재생 에너지로 전환하는 시나리오라고 했을 때 태양광 에너지 용으로 구리 수요가 거의 3배로 늘어날 것이라고 한다.^[13]

맺음말

태양 에너지는 언젠가 우리들의 주된 에너지원이 될 것인가? 가격은 낮아지고 효율은 높아지고 있다. 하지만 이 많은 기술들 중에서 어떤 것을 선택할 것인가? 언제 우리는 한 가지 혹은 두어 가지 기술로 정착하고 힘있게 밀고 나갈 것인가? 전력망으로는 어떻게 통합할 것인가? 혹은 통합하지 못할 것인가?

태양광 에너지가 특수 전력원에서 메인스트림 전력원으로 진화하고 있는 것은 태양 에너지가 우리들의 에너지 필요량을 충족하고도 남을 만큼 거대한 잠재력이 있기 때문이다. 현재는 결정형 태양광 셀이 시장을 장악하고 있으나, 박막형 태양광 셀이나 CdTe와 페로브스카이트 같은 차세대 기술들이 발전함으로써 좀더 효율적이고 통합적인 태양광 애플리케이션을 향해서 길을 놓을 것이다. 원재료 채굴에 따른 환경적 영향과 생산 병목현상 같은 문제들이 남아 있기는 하나, 이 분야의 빠른 성장과 혁신은 밝은 미래를 예고한다.

기술적 진보와 지속가능한 실천이 적절히 조화를 이루는 가운데서 태양광 에너지가 청정하고 풍요로운 에너지의 미래를 실현하도록 토대적인 역할을 할 것이다. 이것은 미국의 에너지 믹스에서 태양광이 큰 폭으로 성장하고 있는 것에서 잘 알 수 있으며, 전세계적으로도 태양광이 지속가능한 솔루션으로서 자리를 잡아갈 것이다.


참고 문헌

[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/.
[2] 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/.
[3] “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.
[4] 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.
[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 255, (June 2023), https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112289.
[6] Juan-Pablo Correa-Baena et al., "Promises and Challenges of Perovskite Solar Cells," Science 358, Issue 6364 (November): 739-744, https://doi.org/10.1126/science.aam6323.
[7] 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/.
[8] 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.
[9] “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.
[10] 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.
[11] 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/.
[12] 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.
[13] 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



저자 약력

짐 해리슨(Jim Harrison)은 전자 엔지니어로서 1989년 이후로 산업 자동화 및 과학 기계 회사들에서 고위 설계 엔지니어링 직책들을 역임했다. 2004년에 글쓰기로 전향해서 Hearst Business Media의 Electronics Products Magazine에서 14년 동안 수석 편집자를 맡았다. 현재는 Lincoln Technology Communications에서 컨설턴트로 재직하고 있다.