Embed Size (px)
Citation preview
물리학과 첨단기술 July/August 2008 2
분 야 용 도
통신시설 무선중계기, 방송중계국
항공보안 항공장애등, 항공보안 및 지원시설
기상 ․하천관측각종 텔레미터, 텔레미터 중계국
하천, 댐 관리, 홍수경보
해양 등대, 등부표, 해상텔레미터, 선박 비상전원
도로 ․교통 가로등, 도로표시판, 긴급전화, 무인신호등
산업기기 산업용 전원공급
농 ․어 ․축산업 배수펌프, 배양시스템, 온실
환경 개선 오수 정화, 호수 정화, 환경 감시
재해 ․안전 지진, 화재 시 비상 전원, 산불 감시 카메라
교육 ․오락 광검출기, 완구, 조도계, 교육기기
전자 제품 시계, 라디오, 계산기, 무전기, 휴대전화, PC
주택 ․건물 주택, 건물 전원 공급
대규모 발전소 계통연계 집중식 발전시스템
자동차 태양광자동차, 전기자동차 보조전원
항공 ․우주용 인공위성, 우주발전, 탐사, 비행선, 비행기
표 1. 태양전지의 용도.
태양전지 국내 ․외 시장 및 산업 동향
윤경훈 ․김동환
저자약력
윤경훈 박사는 프랑스 Limoges 대학에서 박사학위를 받고 현재 한국에너지기술연구원 태양전지연구단장으로 실리콘 및 화합물반도체 박막태양전지
를 연구개발하고 있다. ([email protected])
김동환 교수는 미국 Stanford 대학에서 박사학위를 받고 현재 고려대학교 재료공학부에서 태양전지 연구를 수행 중이다. 2004년 이후 지식경제부의
태양광사업단장으로 국내 태양광 기술개발 기획, 방향 설정 등의 역할을
맡고 있다. ([email protected])
생활을 하는 데 있어 에 지는 필수불가격한 요
소로 앞으로도 그 수요는 더 증 될 수밖에 없다. 하지만 최
근의 석유가 상승, 화석연료 사용에 따른 기후 변화 등의
환경 문제 두 등은 지 우리가 사용하고 있는 석탄, 석유
와 같은 화석연료와 차별화되는 환경친화 이면서도 속
으로 공 해 수 있는 에 지원의 출 을 갈망하고 있다. 이런 측면에서 태양에 지는 자연이 선사한 가장 이상 인
에 지원으로 떠오르고 있다. 지구가 1시간 동안 받는 태양에
지는 재 세계가 1년 동안 소비하는 에 지에 필 한
다. 하지만 태양에 지는 에 지 도가 낮아 이를 실생활에
이용하거나 산업용으로 쓰기 해서는 보다 효율 으로 태양
에 지를 포획, 환하는 기술이 제되어야 한다.태양에 지를 이용한 태양 발 기술이 최근 국내외 으
로 큰 주목을 받고 있는데, 그 핵심소자인 태양 지는 1839년 랑스 과학자 Becquerel이 해질 속에 담겨진 2개의
속 극으로부터 발생하는 력이 빛에 노출 시 그 크기가
증가하는 기 력(Photovoltaic) 효과를 발견한 것으로부터
그 역사가 시작되었다. 1954년 미국 Bell Lab에서 실리콘을
소재로 한 최 의 태양 지가 개발되었고, 1958년 우주선
Vanguard I호의 원공 용으로 최 로 실용화되기에 이르
다. 년은 최 의 상업용 태양 지가 출 한지 50년이 되
는 해이다. 1970년 2차례의 석유 동을 겪으면서 미국, 유럽, 일본 등에서의 체계 이고 집 인 연구개발에 힘입어
1980년 부터 제한 이긴 하지만 지상 발 용으로 활용이
시작되었고, 이어서 에 지 환경 문제가 지구 차원의 문제
로 부각됨에 따라 최근 가장 유망한 에 지 기술의 하나로
인식되기에 이르 다.
태양전지 활용 및 시장
우주에서 시작된 태양 지 시장은 지상용으로 꽃을 피우기
시작하여 매년 팽창하는 시장을 창출하고 련 산업도 이
미 완 한 궤도에 올라 성장에 성장을 거듭하면서 선도국간
의 기술경쟁도 매우 치열하게 개되고 있다. 일본, 독일, 미국 등에서는 규모 정부 지원에 따른 시장의 확 와 함께
기업과 정부 공동의 체계 인 기술개발에 힘입어 태양 지
생산량은 매년 비약 으로 늘어나고 있다. 우주용을 거쳐
기에 태양 지는 기를 필요로 하는 무인등 나 오지 주민
의 응 시를 비한 필수용품으로, 라디오나 백신용 장고의
원공 용으로 차 사용범 가 확 되기 시작하 다. 재
는 항공, 기상, 통신 분야에까지 사용되고 있고, 연구개발의
진 과 함께 가로등, 배터리충 기 등은 물론이고 주택이나
건물의 지붕과 벽체에 기존의 건축자재를 신하여 사용되는
등 우리 주변에까지 리 되고 있고, 이미 10 MW 이상
의 규모 발 소도 출 하고 있다. 한 최근에는 태양 지
로 구동되는 자동차, 비행기 등도 주목을 받고 있는데, 표 1
물리학과 첨단기술 July/August 2008 3
그림 1. 단독주택용 태양광 시스템.
그림 2. 아파트, 공동주택 태양광 시스템.
그림 3. MW급 태양광 발전소.
에서 반 인 활용도를 살펴볼 수 있다.우주용을 제외하면 시장 규모 면에서 크게 지상발 용, 소
규모 자제품의 원공 용으로 나 수 있다. 지상발 용은
다시 계통연계 유무에 따라 독립형 태양 발 시스템과 계통
연계형 태양 발 시스템으로 구분되고, 다시 독립형 태양
발 시스템은 주민의 원공 용과 특수 목 의 용도(통신용, 해양, 도로교통, 환경 개선 등 다수)로 구분한다. 그리고 계통
연계형시스템은 규모에 따라 소규모 분산배치형시스템(그림
1, 2)과 규모 발 용 시스템(그림 3)으로 구분한다.최근 지상용의 세계 태양 지 설치 보 량(시장)의 추이
는 그림 6과 같다. 2007년 보 량은 아직 추정치로 약
2,400 MW에 달하는데, 독일이 체의 약 46%, 2 가 스페
인, 그리고 미국, 일본의 순이다. 최근 독일의 시장이 격히
증가한 것은 발 된 기를 높은 값으로 매입하는 발 차액
제도(Feed-In-Tariff (FIT)) 지원 로그램에 의한 것이 그 주
요 요인이다. 스페인은 2006년 보 량이 98 MW이었으나
2007년 약 490 MW를 보 하여 그 규모가 팽창하 다. 미국은 년에 비해 약간 성장하 으나 일본은 오히려 보
량이 년도에 비해 폭 어들었다. 그 이유로는 국내 시장
을 확 할 만한 발 차액제도 등의 확실한 정부 지원책이 유
럽에 비해 미약하기 때문이다. 최근 시장의 성장은 계통연
계형시스템에 의한 것인데, 지상의 규모 발 소와 함께 독
일, 일본, 미국 기타 OECD 회원국에서 정부의 지원으로
주택 건물의 지붕, 외벽, 창에 태양 지를 설치한 것이
부분이다. 특히 태양 지를 건축물과 일체화한 시스템을
BIPV(Building Integrated Photovoltaics)로 구분하는데, 앞
물리학과 첨단기술 July/August 2008 4
그림 4. 태양광 구동 자동차 및 비행기.
그림 5. 태양광 구동 우주정거장 및 탐색용 로버.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
MW
기타
미국
일본
스페인
독일
그림 6. 전 세계 태양전지 설치보급량 추이.
으로도 이 부분의 시장이 지속 으로 크게 성장할 망이다. 지상에 설치하는 경우는 별도의 부지 비용이 소요되지만
BIPV에서는 부지 비용이 없음은 물론 태양 지 자체가 건축
물의 마감재 역할을 겸하도록 되어 있어 경제성 측면에서도
크게 유리하기 때문이다.국내에서 태양 지의 연도별 용도별 보 량은 그림 7
과 같다. 2007년 말 한국의 체 보 량은 약 78 MW이고, 2007년 한해 43 MW를 보 하여 그 이 까지 보 량 계
인 35 MW를 과한 것으로 최근 정부의 폭 인 지원 정
책에 의한 주택 건물용 계통연계형시스템의 보 과 발
된 기의 고가 매입 정책에 따른 발 사업용 규모 태양
발 시스템의 보 이 크게 증가하 기 때문이다. 2003년까
지 국내 시장은 독립형시스템 심으로 소규모의 시장이 형
성되었으나, 2004년 이후 계통연계형이 주 시장을 이루고 있
음을 볼 수 있다. 2007년 말 재 규모 발 용이 39 MW, 분산배치형이 32.6 MW로 각각 50%, 42%를 차지하고 나머
지 8%가 독립형시스템의 몫이다. 국내 2007년 시장을 액으로 환산하면 시스템 기 으로
약 3,400억 원에 달한다. 태양 지 모듈 기 으로는 그 반
정도가 된다.
태양전지 산업
시장의 주류를 형성하고 있는 결정질실리콘 태양 지의 경
우 련 산업 체계는 그림 8과 같이 분류할 수 있다. 모듈 단
가에서 각 단계별 소요 비용 유율은 실리콘이 14%, 잉곳
13%, 웨이퍼 16%, 셀 27%, 모듈 30%이다. 결정질실리콘 태양 지에 이어 2세 태양 지로 분류되는
박막 태양 지의 경우는 그 체계가 완 히 다르다. 잉곳
물리학과 첨단기술 July/August 2008 5
그림 7. 국내 태양전지 설치 보급량.
그림 8. 실리콘 태양전지 산업 체계 (원료 - 태양광 모듈).
그림 9. 실리콘 박막 태양광 모듈 산업 체계.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007
MW
기 타
중국대만
일 본
유 럽
미 국
그림 10. 국가, 지역별 태양전지 생산 추이.
웨이퍼 공정 없이 가스, 액체 는 고체 상태의 출발원료로부
터 특정 기 (유리, 라스틱, 속 등) 에 박막을 형성하여
직 면 의 모듈을 제작하게 된다. 를 들어 실리콘을 소
재로 한 박막 태양 지는 그 흐름이 그림 9와 같다. 제조 공
정이 비교 간단하고 량생산에 합하지만 결정질실리콘
태양 지에 비해 단 제조장치의 규모가 크고 단 가격도
비싸다. 시 에서는 면 박막을 고속, 고수율, 가로
제조할 수 있는 장비가 가장 핵심이 되고 있는데, 이미 반도
체 디스 이 분야에서 확보한 유사 기술을 토 로 태양
지에 합한 기술을 확보한 회사들이 시장을 선 하고 있
다. 박막 태양 지 제조 단가를 항목별로 분류하면 재료비가
45-55%로 가장 많고, 장비가 20-25%, 인건비 10-15%, 그리고 에 지 비용 5-8%이다.태양 지 생산량은 앞에서 본 설치 보 량 증가 추이와 비
슷하여 매년 45% 이상의 성장률을 보이고 있다. 아직 추정치
이긴 하지만 2007년도 생산량은 약 3,700 MW로 년도의
2,500 MW에 비해 약 48% 증가한 것이다. 국가별로는 일본
이 년도에 비해 유율이 낮아지긴 했지만 계속 선두를 지
키고 있다. 하지만 지역별로는 국과 만이 각각 821 MW, 368 MW 생산하여 년 비 120% 이상 증가하여 유럽, 일본을 추월하고 1 에 올라섰는데, 그 유율이 약 32%에 달
한다. 그림 10에서 최근 국, 만의 약진과 독일을 시한
유럽의 성장세를 확인할 수 있고, 일본은 생산규모가 정체되
어 있음을 확인할 수 있다. 표 2의 태양 지 제조 개별 기업으로 보면 2006년까지 부
동의 1 이었던 일본의 Sharp가 독일의 Q-Cells에 려 2로 내려왔고, 국의 Suntech이 Sharp와 큰 차이 없이 3로 올라섰다. 일본은 Sharp 외에 Kyocera, Sanyo, Mitsubishi 기 등 기술력과 경험을 지닌 회사들이 꾸 히 선두권에 있
으나 국, 만, 독일, 미국 기업 등이 바짝 뒤를 추격하고
있어, 앞으로의 향방은 두고 보아야 할 것이다. 미국의 First Solar사가 CdTe 박막 태양 지만으로 한해
207 MW를 생산하여 2006년 11 에 2007년 5 로 순 를
올린 것은 체 박막 태양 지 기술 측면에서 크게 주목해야
할 이다.일본과 독일에서는 주택 건물용 태양 발 시스템, 그리
고 발 용 규모 시스템의 량 보 을 통한 시장 확 정
책의 추진으로 태양 지 산업이 이제는 완 히 새로운 산업
으로 자리매김하고 있다. 2007년도 세계 태양 지 산업은
태양 지 모듈(평균 단가 $4/W) 기 으로 약 150억$, 태양
발 시스템 기 으로는 약 250억$에 달한다.
물리학과 첨단기술 July/August 2008 6
2003 2004 2005 2006 2007
Q-Cells (독일) 28 75 166 253 389
Sharp (일본) 198 324 428 434 363
Suntech (중국) 28 82 158 327
Kyocera (일본) 72 105 142 180 207
First Solar (미국) 3 6 20 60 207
Motech (대만) 17 35 60 102 196
Sanyo (일본) 35 65 125 155 165
SunPower (미국) 23 63 150
Baoding Yingli (중국) 10 35 143
Solar World (미, 독) 94 100 97 86 130
Mitsubishi Electric 42 75 100 111 121
JA Solar (중국) 25 113
BP Solar (다국적) 70 86 88 86 102
Solarfun (중국) 25 88
Isofoton (스페인) 35 53 53 61 85
Schott Solar (독일) 42 63 95 93 80
CEEG Nanjing (중국) 7 54 78
표 2. 전 세계 주요 태양전지 메이커 (단위: MW).
실리콘 잉곳
웨이퍼
유럽PV Crystalox Solar, Wacker Polysilicon, Joint Solar Silicon, Deutsche Solar REC
미국Hemlock Semiconductor (HSC), Advanced Silicon Materials (ASiMI), Solar Grade Silicon (SGS), MEMC Electronic Materials
일본Tokuyama, JFE Steel, M.Setek, SUMCO, Space Energy, Japan Solar Silicon, Jemco, Dai-ichi Dentsu
소재
유럽 Isovolta, Multi-Contact
미국 DuPont, Ferro Electric Material Systems
일본Asahi Glass, Nippon Sheet Glass, Sankyo Aluminium Industry, Bridgestone, Mitsui Chemicals Fabro, Toray
태양
전지
유럽
Q-Cells, Solar World, Schott Solar, ErSol, Shell, Sunways, Antec Solar, Isofotón, Photowatt, EniTecnologie, Helios Technology, Intersolar, Photovoltech, Konkar
미국Solar World, BP Solar, United Solar Ovonic, First Solar, GE Energy, Evergreen Solar, Schott Solar
일본
Sharp, Kyocera, Sanyo Electric, Mitsubishi Electric (MELCO), Kaneka, Mitsubishi Heavy Industry (MHI), Hitachi, Showa Shell Sekiyu, Fuji Electric Systems, Honda Motor
모듈유럽
Solon, Saint Gobain, Solar-Fabrik, Webasto, Solarwatt, Solarc
일본 MSK(Suntech, China), Fujipream, Yokasol
장비
유럽Gebr. Schmid, Centrotherm, M+W Zander, Roth &Rau, Aixtron, Baccini, HCT Shaping, Meyer & Burger, Oerlikon
미국Applied Materials, BTU International, GT Solar Technologies, MV Systems, Spire Solar
일본ULVAC, Shimadzu, NPC, Nisshinbo, Noritake, Tokyo Electron, Ferrotec, Dai-ichi Kiden, S.E.S, Nippei Toyama
표 3. 전 세계 태양전지 관련 산업 및 회사.
한편 지 까지 태양 지 종류별로는 2006년도의 경우 단
결정실리콘(sc-Si) 다결정실리콘(mc-Si) 태양 지 비 이
체의 90%에 달하고 리본형 태양 지가 2.7%, 그리고 박막
태양 지가 7.6%를 차지하 다. 단결정실리콘 태양 지
6%는 일본 Sanyo사의 이종 합(HIT) 구조 태양 지로 이는
실리콘 웨이퍼 에 비정질실리콘 박막을 층하여 합을
형성한 이종 합 구조로 웨이퍼 기술과 비정질 실리콘 박막
제조기술이 융합된 기술이다. 최근 다결정실리콘에 비해 단결
정실리콘 유율이 증가한 것은 HIT 태양 지의 생산량이 증
가한 측면도 있지만 고효율의 단결정실리콘 태양 지 수요가
그 만큼 증가하 다는 것을 의미한다. 다결정에 비해 효율이
높은 단결정실리콘 태양 지를 사용하면 태양 어 이의 면
을 일 수 있는 장 이 있다.박막 태양 지는 그 동안 태양 지 체 생산량이 증함
에 따라 실제로는 생산량이 매년 증가하 음에도 불구하고
유율은 하락하 는데, 2006년에 처음으로 유율이 증가한
것은 박막 태양 지 기술이 시장으로부터 호응을 받고 있다
는 반증이다. 기술별로는 실리콘 박막이 4.7%, CdTe 2.7%, CIGS 0.2%인데, 에서 언 한 바와 같이 미국 First Solar 의 CdTe 태양 지 생산량이 크게 증가한 것이 체 박막 태
양 지의 유율을 올린 요인이다. 2007년도의 경우 First Solar의 생산량이 207 MW에 달하는 등 박막 태양 지의
유율이 크게 늘어 어도 10% 이상 되는 것으로 추산하고
있다.재 세계 으로 많은 기업들이 실리콘 원재료부터 잉
곳, 웨이퍼, 기타 소재, 태양 지 모듈 제조, 제조 성능
검사 장비 분야에 진출해 있는데, 그 개요는 표 3과 같다.국내에서는 최근 많은 기업들이 태양 지 사업 계획을 발
표하는 등 큰 변화가 이루어지고 있다. 2007년 재 웨이퍼
태양 지 제조회사가 각 1개, 그리고 모듈 제조회사가 8개 정도이다. 소재 수 측면에서 LG 실트론이 2007년 10 MW 규모의 웨이퍼 생산 라인을 완성하 고, 웅진에 지가
잉곳 생산을 시작하 다. 한편 동양제철화학이 원소재인 다결
정실리콘 생산 라인을 2008년 완공하여 원재료부터 모듈까
지 완 한 형태의 산업 구조를 갖출 수 있게 되었다. 모듈 제
조업체는 그 동안 소요 태양 지를 부분 수입에 의존하
고, 최근 수년간 세계 인 원재료 공 차질로 인하여
수입도 어려운 실정이었으나, 2008년 공업과 미리넷솔
물리학과 첨단기술 July/August 2008 7
실리콘 잉곳 웨이퍼
동양제철화학: 원소재
LG 실트론, 웅진 에너지: 잉곳, 웨이퍼
태양
전지
KPE, 현대중공업, 미리넷 솔라,
신성이엔지: 결정질실리콘 태양전지
한국철강: 박막 실리콘 태양전지
모듈
현대중공업, 심포니에너지, S-Energy 등
2007년 생산용량 188 MW,
생산 52.9 MW
장비주성엔지니어링, 아바코, SFA, DMS,
NPP 등 다수
표 4. 국내 태양전지 관련 산업 및 회사.
2006 2010 2020 2030 비 고
연간 보급 (GW) 1.5 5.6 44 179
그린피스-EPIA 보고서
보급 누계 (GW) 6.6 28.9 241 1,272
전기소비 태양전지 기여도 (%)
0.05 0.18 1.93 9.39
시장 가치 (10억 유로)
9 25 113 318
연간 이산화탄소 절감 (백만톤)
5 15 192 1,081
보급누계 (GW) 6.6 14.0 200 1,830 EU Report
표 5. 전 세계 태양전지 보급 전망.
참고문헌
[1] 신재생에너지 RD&D 전략 2030: 태양광, 산업자원부, 2007. 11.
[2] Osamu Ikki, RTS Corp., The Photovoltaics industry, today
and tomorrow, Japan (2007).
[3] PV News, March (2008).
[4] IEA/PVPS Task 1, “Trends in photovoltaic applications: Survey
reports of selected IEA countries between 1992 and 2006”,
Report IEA-PVPS T1-15 : 2006, Aug. (2007).
[5] Kyung-Hoon Yoon, Donghwan Kim, National survey report
of PV power applications in Korea, May (2008).
[6] EPIA, Greenpeace, Solar Generation IV -2007.
[7] A. J-Waldau, PV Status Report 2007, JRC, EU.
[8] Solar America Initiative: DOE Solar Energy Technologies
Program (2007).
라가 태양 지 생산 라인을 갖추게 되면 190 MW 용량의 모
듈 제조라인 가동률을 크게 높일 수 있을 것이다. 한편 년에 한국철강이 국내에서는 최 로 박막 실리콘
태양 지 모듈 생산 설비를 갖추고 상업화에 착수하여 향후
그 추이가 주목받고 있다.
향후 전망
향후 태양 지 시장과 산업의 망에 해서는 독일 Photon Consulting에서는 2006-2010 사이 연간 55%의 성장률을
제로 2010년 연간 15 GW의 시장이 형성될 것으로 망한
바 있는데, 액으로 약 $700억에 해당한다. 2007년 그린피
스와 유럽태양 산업 회가 공동으로 발간한 보고서 “Solar Generation IV-2007”에 따르면 2030년까지 약 1,200 GW의 태양 지를 보 하여 세계가 필요로 하는 기의 약
10%를, 2040년에는 약 28%를 충당할 수 있고, 2030년의
연간 시장 규모는 3,000억 달러를 상회할 것이라는 망이
다. 유럽연합에서 발간한 태양 황보고서도 유사한 망
을 하고 있다. 이처럼 태양 기술은 이미 다음 세 의 새로
운 성장동력산업으로 그 형태를 확고히 굳 가고 있는 것이
다.기술 으로 태양 지가 경제성을 갖기 해서는 재보다
최소 6배 이상 값싸거나 효율 높게 만들 수 있어야 하는데, 기존 결정질실리콘 태양 지는 한계가 있으므로 박막 태양
지 기술, 나아가서는 새로운 소재와 구조를 이용한 가, 고효율 태양 지가 개발되어야 한다. 하지만 이런 기술도
원 재료 사용량을 최소화하기 해서는 박막 기술을 사용할
수밖에 없으므로 가의 박막 제조기술 개발은 필수 이라
할 수 있다.재 기술을 선 하고 있는 유럽, 일본, 미국의 동향을 주
시하면 재의 박막 기술로도 조만간에 시장 유율이 크게
증가할 것으로 망되고 있다. 실리콘 박막, CIGS, CdTe 화
합물 박막 태양 지와 련 재 2010년까지 생산 계획을
발표한 기업들의 신규 설비 확장 설비를 모두 합하면 약
2 GW에 이른다. 태양 지 성장률을 최소로 잡아도 2010년에는 어도 연간 5 GW의 시장이 형성될 것으로 측하고
있는데, 따라서 박막 태양 지가 많게는 40% 어도 20%로
시장 유율을 넓 갈 것으로 측된다. 국내의 경우 단기 으로는 기존 주택과 건물의 지붕과 벽
체 유휴지에 설치하는 계통연계형 시장 잠재량이 약 19 GW 정도가 될 것으로 상되는데, 물론 태양 지가 경제성
을 갖게 되면 그 시장은 폭발 으로 증가할 것이다. 참고로
2007년 말 재 국내의 발 설비용량은 약 70 GW이다. 2003년 정부에서는 2012년까지 3 kW 용량의 주택용 태양
발 시스템 100,000호, 공공건물 40,000동, 산업용 30,000동에 합계 1,300 MW를 보 하는 계획을 수립하고 재 목표
달성을 해 연구개발, 시범, 보 에 많은 지원과 제도를 마
련하여 시행하고 있고, 이에 호응하여 많은 기업들이 새로이
태양 지 산업에 동참할 것으로 망되고 있다.
