일본 태양광 발전 기술의 현재와 향후 과제

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-14

태양광 발전은 태양의 빛 에너지를 전기로 변환하는 발전 방법으로 재생 가능 에너지의 하나이다. 태양광이라고 하는 무한의 자원을 사용하므로 원료 고갈의 걱정이 없고, 발전 시에는 온실 효과 가스를 발생시키지 않는 장점이 있는 한편, 발전 전력량 당 도입 비용이 다른 발전 방법보다 비교적 높다는 단점이 있다. 교토 의정서에 따라 의무적으로 온실 효과 가스의 배출량 삭감이 급선무가 되고 있는 가운데, 이 기술의 보급에 대한 기대가 크므로, 여기서는 태양광 발전에 대해 발전의 개요와 현재의 국내의 동향 그리고 향후 과제에 대해 소개한다. 1.태양광 발전의 구조 태양광 발전은 태양전지에 의해서 전기를 발생시키는 것이다. 태양 전지는 태양의 빛 에너지를 흡수해 전기로 변환하지만, 건전지와 같이 전기를 축전하는 것이 아닌 발전하는 기능 밖에 없다. 태양전지 가운데, 현재 가장 보편적으로 사용하고 있는 실리콘계 태양전지의 원리는 그림1과 같다. 실리콘형 태양전지는 발전을 위해서 n형 실리콘과 p형 실리콘이라고 하는 성질이 다른 2개의 실리콘 반도체를 사용하고 있다. 태양광을 받은 태양전지는 플러스(정공)의 입자와 마이너스(전자)의 입자를 발생한다. 그리고 플러스는 p형 실리콘에 마이너스는 n형 실리콘에 이동하므로 2개의 반도체 전극을 이으면 전류가 흐른다. 2.태양전지의 종류 태양전지는 여러 종류가 있고, 재질이나 형태 등에 의해 구분하는 방법도 다르다. 여기서는 재질에 의한 구분으로 각각의 특징을 소개한다. 먼저 실리콘계열은 결정계와 비정질계로 구분하고, 기타 화합물계와 유기물계로 구분할 수 있고, 결정계는 다결정 실리콘과 단결정 실리콘, 비정질계는 박막계 실리콘으로 구분한다. 다결정 실리콘은 현재의 태양전지의 주류이고, 많은 결정으로 완성된 실리콘을 사용한 것이고, 단결정 실리콘은 단결정의 실리콘을 사용한 것으로 다결정보다는 고가이지만 성능이나 신뢰성이 뛰어나다. 그리고 비정질계인 박막계 실리콘은 아몰퍼스(비정질) 실리콘을 사용한 것으로 실리콘 층의 두께를 얇게 할 수 있어, 계산기 등의 전원으로 사용한다. 화합물계는 빛을 흡수하는 층을 실리콘 이외의 화합물(동, 인듐, 갈륨 비소 등)을 사용한 것이고, 유기물계 색소 증감형은 색소를 흡착시킨 이산화티탄을 전극으로 사용하는 새로운 형태의 태양전지이다. 태양전지는 이러한 종류 외에도 연구 개발이 진행되고 있어 복수의 종류를 조합해 태양광 에너지를 효율적으로 이용할 수 있도록 한 것도 있다. 3. 태양전지의 생산 동향 일본의 태양전지의 생산은 세계 시장의 절반을 차지하고 있다. 다음으로 독일을 중심으로 한 유럽이고, 최근에는 중국 등에서 생산량도 많아지고 있다. 또한, 일본에서 태양전지의 대표적인 종류별 생산량 추이를 보면 생산량 확대가 두드러지고 있음을 알 수 있다. 최근에는 새로운 종류의 태양전지가 개발, 생산되고 있다. 4. 태양광 발전 시스템의 구조와 이용 형태 1개의 태양전지 소자의 출력전압은 0.5~1.0V정도이다. 일반적으로, 이 태양전지 소자를 셀이라고 부르며, 1셀의 크기는 대체적으로 10 cm2이다. 필요한 전압을 얻기 위해서는 복수의 셀을 직렬로 연결하고, 여러 개의 셀을 조합하여 수지나 강화유리, 금속 케이스로 보호한 것을 모듈이라고 부른다. 취급하기 쉽고, 높은 강도를 유지하는 것 외에 더러움이나 자외선, 습도 등에서 보호되도록 한다. 즉 이 모듈은 설치하는 최소 단위이기도 하다. 게다가 모듈을 여러 개 조합하여 설치하는 것을 어레이라고 부르며, 이러한 어레이로부터 큰 전기를 수확할 수 있다. 태양광 발전은 이용 형태에 따라 계통 연계와 독립 축전으로 구분할 수 있고, 계통 연계는 태양광 발전 시스템을 전력회사의 송전선에 연결해 태양 발전으로부터 얻을 수 있던 전기와 전력회사로부터의 전기 모두를 이용할 수 있도록 하는 것을 말한다. 태양전지에 의해서 발전한 직류를 전력변환기를 이용하여 송전선과 같은 교류로 변환해 송전선에 흘리거나 가정이나 시설에서 직접 사용할 수 있게 한다. 주로 주택이나 공공 시설, 사업자 등에서 이용되고 있다. 또한 독립 축전이란 전력회사의 송전선으로부터 완전하게 분리한 것으로 발전한 전기를 축전하고, 야간이나 강우시 등 발전량을 기대할 수 없을 때에도 이용할 수 있도록 한 것이다. 주차 미터나 가로등 등에서 부터 이동식이나 비상용의 전원 시스템에 이용되고 있다. 이는 송전선망으로부터 멀리 떨어진 장소에 설치하는 경우에 효과적이다. 5. 태양광 발전 보급을 위한 활동 일본은 세계에서 가장 많이 태양전지를 생산하고 있지만 태양광 발전 시스템의 도입은 독일에 이어 2위 수준이다.　독일은 2000년 재생 가능 에너지법(EEG)을 제정한 후, 2004년 EEG를 개정 시행하여, 발전 전력은 이후 20년 동안 고정된 가격으로 전량을 전력회사에 매각할 수 있게 되었다. 게다가 이런 고정 가격은 초기에 도입했을 경우보다 늦게 도입했을 경우가 낮게 설정되어 있기 때문에 2004년 이후 태양광 발전을 빨리 도입하려는 사례가 잇따라 그 도입량이 급증했었다. 한편 일본에서는 2003년 4월부터 전기 사업자에 의한 신에너지 등 이용에 관한특별조치법(RPS법)이 전면 시행되었다. RPS법에는 전력의 소매를 실시하는 사업자(일반 전기사업자, 특정전기 사업자, 특정규모 전기사업자)에 대해, 그 판매하는 전력량에 따라, 신에너지 등 전기(신에너지 등에 의해 발전된 전기)를 일정 비율로 이용하는 것을 의무화한 법률이다. 각 전기사업자의 매년 이용 의무량은 경제산업성이 4년 마다 정하는 전기사업자에 의한 신에너지 등 전기의 이용 목표를 토대로 결정하여 2007년 3월에는 이용 의무량의 전국 합계가 86억kWh, 2009년 103억kWh, 2014년에 165억kWh로 결정하였다. 이 신에너지 등의 전기에는 태양광 외에도 풍력이나 지열, 소수력, 바이오매스가 포함되어 있지만, 태양광 발전은 다른 전원보다 기술 혁신의 여지가 크다는 이유로 태양광 발전 시스템의 보급 우대 정책을 추진하고 있다. 6. 태양광 발전 시스템의 향후 과제 태양광 발전은 태양광이 가지는 에너지를 직접 전기로 변환하는 것이므로 원료의 공급에 대한 어려움이 없고, 또한 발전에 수반되는 환경 저해 배출물 등이 없고 깨끗하기 때문에 향후 에너지 문제를 생각하면 도입이 증가하는 것은 의의가 높다. 다만 현시점에서는 그 보급을 방해하는 과제가 적지 않다. 태양 전지 메이커에서 부터 관련 산업계에는 다양한 기술개발을 진행하고 있어 과제의 극복에 노력하고 있고, 향후 연구개발 성과를 기대하고 있다. (1) 에너지 변환 효율의 향상 태양광 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 비율(에너지 변환 효율)은 현재 약 10% 수준이고, 이것을 조금씩 향상시키는 것이 요구되고 있다. (2) 실리콘 원료의 안정적 확보 태양전지의 원료인 실리콘은 반도체용으로도 사용되어 경합 상태에 있다. 실리콘 원료의 안정적인 수급 균형의 확보가 요구된다. (3) 태양전지 제조 기술의 향상 태양전지의 구조나 소재의 개선 및 개발, 실리콘 웨이퍼의 박형화, 내구성 향상 등의 제조 기술을 한층 더 개발해야 한다. (4) 태양광 발전시스템의 도입에 대한 인센티브 확대 전력 메이커는 일반 가정이나 공공 및 산업계가 태양광 발전의 도입 의욕을 높이기 위한 정책적인 지원 정책 등을 확대해야 한다. (5) 코스트 다운 태양광 발전 시스템을 도입할 때의 코스트는 현재 1kW 당 60~70만 엔 수준이다. 설치비용과 관리비용의 저비용화가 요구된다. 그림 1. 태양광 발전 시스템 구성 그림 2. 실리콘계 태양전지의 발전 원리 zu4.gif zu1.gif 출처 : http://ecotech.nies.go.jp/library/report/detail.php?id=6