[공학저널 김하늬 기자] 점차 심화되고 있는 기후위기 극복을 위해 전 세계는 2050 탄소중립을 선언했다. 지구 평균 기온 상승 폭을 산업화 이전 대비 1.5도 이내로 줄이는 것을 목표로 국가와 산업이 나서 노력을 기울이고 있다.
우리나라의 경우 산업용 원료 소비를 제외한 최종 에너지의 25%는 전기, 75%가 열에너지로 소비되고 있다. 이러한 에너지 분야는 온실가스 전체 배출량의 87%가량을 차지하고 있다. 전기의 63%, 열의 91%를 화석연료에서 얻고 있기 때문이다.
이에 탄소중립을 달성하기 위해서는 전체 에너지시스템을 최대한 전기에너지로 활용하되, 전기는 무탄소 발전방식으로 저렴하고 대량 공급이 가능해야 한다는 것이 전문가들의 의견이다.
무탄소 발전원으로는 다양한 신재생에너지가 활용될 수 있다. 그중에서도 태양광 발전은 청정하고 무한한 햇빛을 대형 발전기나 발전소 없이 직접 전기로 바꿀 수 있어 간단하면서도 환경에 주는 영향을 최소화한다는 장점이 있다.
지역 또는 가정 등 효과적인 분산발전이 가능하고, 태양전지의 수명이 20년 이상으로 유지 보수비용이 적게 드는 점 등이 장점으로 손꼽히며 탄소중립을 위한 핵심 재생에너지원으로 태양광에너지가 활용되고 있다.
특히 이는 최근 러시아의 우크라이나 침공으로 대두된 에너지 안보 이슈와 더불어 더욱 가속화될 전망이다. 탄소중립 기술 분야 패권 경쟁에 돌입한 미국을 비롯한 전 세계 국가들의 글로벌 트렌드에 따라 향후 탄소중립을 위한 무탄소 전원으로서 태양광 발전의 입지는 더욱 확고해지고 기술 경쟁은 치열해질 것으로 예측되고 있다.
한국에너지기술연구원 태양광연구단 안세진 단장(사진)은 “태양광 시장의 주류를 이루고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 국내 기술력 자체는 자타공인 세계 최고 수준이라고 할 수 있지만, 태양광 기술의 전반적인 가치사슬에서 중국 의존도가 매우 높아져 가격 경쟁 측면에서 큰 어려움을 겪고 있는 것도 사실”이라며 “이를 극복하기 위해서는 중국 의존성 가치사슬에서 탈피한 차세대 고성능 태양광 기술 개발이 필수적이며, 그것도 경쟁국들과의 격차를 벌리며 빠르게 개발에 성공해야 한다”라고 강조했다.
이러한 국내 태양광 관련 기술의 대표적인 예시로 상용 실리콘 태양전지의 이론 효율(29%)을 돌파할 수 있는 탠덤 태양전지 기술을 꼽을 수 있다.
이 기술은 서로 다른 두 개 이상의 태양전지를 적층하는 방식으로 태양광 스펙트럼을 더욱더 효과적으로 이용해 이론적으로는 40% 이상의 초고효율 달성이 가능한 기술이다.
현재는 상용 실리콘 태양전지와 유무기 혼합형 소재에 기반한 페로브스카이트 태양전지를 적층한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지가 가장 관심을 받고 있으며, 전 세계가 기술선점을 위한 무한 경쟁에 돌입한 상황이다.
안 단장은 “탠덤 태양전지 외에도 중국 의존성을 줄이거나 탈피해 새로운 고부가가치 태양전지 신시장을 창출하는 방향으로 기술 개발이 계속돼야 한다”라고 의견을 전했다.
이에 에너지기술연구원 태양광연구단은 대한민국의 탄소중립 사회 구현을 위한 태양광 핵심기술 전반에 걸친 연구개발을 수행 중이다. 구체적으로는 태양전지 및 모듈 개발, 태양광 시스템 기술 및 성능평가/표준화 영역 전반에 걸친 연구개발을 진행하고 있다.
연구단은 중점 사업으로 ‘탄소중립 구현을 위한 도심형 태양광 기술’ 연구개발에 한창이다. 인구가 밀집해 에너지 수요가 가장 높을 것으로 예상되는 도시 전체를 태양광 발전소 化 하는 것을 목표로, 노력을 기울이고 있다.
우선 도시의 제한된 면적에서의 발전량 극대화를 위해 태양전지의 발전 성능을 현재보다 1.5배 이상 개선하는 것을 과제로 삼았다. 이에 탠덤 태양전지를 초고효율 태양전지 핵심기술 아이템으로 선정해 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 고효율화 및 안정성 개선을 연구개발하고 있다. 특히 발전 성능을 극대화하기 위해 탠덤 기술에 양면 수광 기술을 접목하는 시도를 하고 있다.
이와 함께 연구단은 다기능성 태양전지를 개발해 도시의 건물뿐 아니라 주변의 모든 유휴 공간에서 설치 장소의 제약 없이 태양광 발전이 가능하도록 목표를 설정했다.
이를 위해서는 기존 실리콘 태양전지가 갖지 못하는 다기능성(유연/경량 또는 투광성)을 갖는 태양전지 개발이 필수적인 상황으로, 현재 CIGS를 기반한 박막형 태양전지를 통해 이 기술을 개발하고 있으며 일부 기술의 경우 탠덤 기술과의 접목도 꾀하고 있다.
안 단장은 “연구단은 이 두 가지 핵심기술 분야의 초격차 원천기술 개발을 통해 탄소중립 사회 구현을 위한 기술적 토대를 마련함은 물론, 이 기술들이 향후 국내 기업의 차별화된 차세대 제품으로 연계될 수 있도록 최선을 다하고 있다”라며 “특히 산업부와 대전시의 지원으로 올해 대전 인근 신동 지구에 완공될 태양광 기업 공동활용 연구센터는 기업이 차세대 태양광 기술의 양산성 테스트를 효율적으로 수행할 수 있는 오픈이노베이션 테스트베드의 역할을 담당하게 될 것”이라고 설명했다.
현재는 실리콘 태양전지를 기반으로 센터 내 인프라가 구축되고 있지만 향후 탠덤 기술을 포함한 차세대 태양전지의 양산성 검증을 위한 인프라가 추가로 구축될 전망이다. 이를 통해 차세대 기술 양산화의 중추적인 역할을 하게 될 것이라는 게 안 단장의 의견이다.
연구단은 도심형 태양광 기술의 원천기술부터 양산화까지 총력을 기울이는 것과 동시에 그 이후를 책임질 새로운 기술 개발도 병행할 예정이다.
안 단장은 “미래 세대에게 깨끗한 지구를 물려주자는 취지로 태동한 기후변화 및 탄소중립의 화두는 이제 RE100 캠페인 등에서 볼 수 있듯이 ‘하면 좋은’ 것이 아닌 ‘해야 하는’ 즉, 국내 일자리 창출과 산업 생태계, 에너지 안보, 경제/사회 전반에 영향을 미치는 이슈가 됐다”라며 “우리나라도 여러 방면에서 애써 온 것은 사실이지만 더 큰 노력이 필요하다는 것도 부인할 수 없다. 태양광 발전을 비롯한 신재생에너지 전반에 대해 사실에 입각한 정확한 정보를 전달, 장점은 부각하고 문제점은 함께 해결하고자 하는 국민적 공감대 형성과 이를 뒷받침할 수 있는 정책적 지원 등이 필요할 것”이라고 전했다.
