미래 에너지 태양전지 위기의 한국

태양전지, 혹은 태양광 발전은 최근 몇십 년 동안 전 세계적으로 주목받고 있는 청정에너지의 대표주자 중 하나로 떠오르고 있습니다. 페로브스카이트 관련 기술에선 그동안 한국이 세계 톱이었습니다. 하지만 지난 1년 사이 지각변동이 일고 있습니다. 후발주자인 사우디아라비아와 중국이 놀라운 속도로 치고 올라왔습니다. 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 태양전지 분야에서 현재 세계 기록 1위는 중국 론지솔라, 2위는 사우디 KAUST입니다.

구부러지는 태양전지

 

태양전지의 기본 동작 원리

태양전지는 태양광을 전기로 변환하는 장치로, 태양이 방출하는 광선 중에서 특히 태양광의 일부를 포토발전 소자를 통해 전기로 바꾸는 원리로 작동합니다. 대표적으로 사용되는 태양전지 소재로는 실리콘이 있으며, 태양광이 소자에 충돌할 때 전자-홀(electron-hole) 쌍이 생성되어 전기가 발생하게 됩니다.

 

태양전지의 종류

태양전지는 다양한 종류로 나뉘며, 대표적으로 결정질 태양전지, 비결정질 태양전지, 그리고 페로브스카이트 태양전지 등이 있습니다. 결정질 태양전지는 주로 실리콘을 기반으로 하며, 비결정질 태양전지는 아밍과 탈륨 등의 화합물을 이용합니다. 최근에는 페로브스카이트 태양전지가 나타나며, 효율과 가격 측면에서 기존 태양전지를 뛰어넘고 있습니다. 신소재 페로브스카이트를 이용한 차세대 태양전지는 각광받는 미래 신기술입니다. 태양전지 효율을 대폭 끌어올려 ‘마의 30%’ 벽을 돌파할 수 있게 될 겁니다.

 

태양전지의 장점

태양전지는 여러 가지 환경적 이점을 지니고 있습니다. 첫째, 태양광은 무한한 자원이기 때문에 에너지 고갈 문제를 완화할 수 있습니다. 둘째, 발전 과정에서 대기 중에 유해한 물질을 배출하지 않아 환경에 미치는 영향이 적습니다. 셋째, 전력 소비의 감소로 인해 에너지 비용이 절감되며 지속 가능한 사회로 나아갈 수 있습니다.

 

태양전지의 도전 과제

하지만, 태양전지도 여전히 몇 가지 도전 과제에 직면하고 있습니다. 첫째, 생산에 사용되는 원자재의 품질과 가용성 문제가 있습니다. 둘째, 태양광 발전은 날씨에 영향을 많이 받아 일일이 에너지 생산량이 변동합니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 연구 및 기술 개발이 계속되고 있습니다.

최신 기술 동향

태양전지 기술은 지속적으로 발전하고 있습니다. 현재는 플렉시블 태양전지, 퍼블릭 건물에 통합된 태양전지 등의 기술이 주목을 받고 있습니다. 또한 인공 지능과 연계하여 발전소의 효율을 높이는 기술도 발전 중에 있습니다.

 

치고 올라오는 사우디와 중국

2023년은 차세대 태양전지 분야에 대격변이 일어난 한 해였습니다. 그 중심엔 사우디아라비아와 중국이 있습니다. 사우디엔 석유만 많은 게 아니죠. 일 년 내내 쨍쨍 내리쬐는 햇빛도 가진 나라인데요. 게다가 남아도는 땅(사막)도 많으니, 태양광 발전에 딱입니다. ‘포스트 석유시대’를 준비 중인 사우디는 태양광 발전을 대대적으로 늘린다는 계획입니다. 사우디는 차세대 태양전지 쪽을 키우기 위해 유럽 과학자를 스카우트하며 투자를 아끼지 않았는데요. 그 결과 사우디의 KAUST(킹압둘라과학기술대)가 태양전지 연구계에 혜성처럼 등장합니다. 2022년까지 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지의 최고효율기록이 독일의 HZB(헬름홀츠센터 베를린 연구소)가 세운 32.5%였는데요(참고로 한국의 탠덤 태양전지 효율은 아직 29.9% 수준). KAUST가 2023년 들어 33% 넘는 신기록을 내기 시작하더니, 지난해 6월엔 33.7%를 기록한 겁니다. 업계가 깜짝 놀랐습니다. 

 

그런데 더 충격적인 일이 일어납니다. 중국의 거대 태양광 기업 론지솔라가 갑자기 이름을 올리기 시작한 겁니다. 론지솔라가 탠덤 태양전지를 개발했다며 처음 기술을 공개한 게 지난해 5월인데요. 5월 31.8%, 6월 33.5%로 효율을 높여가더니 급기야 11월엔 세계 신기록을 갈아치웁니다. 공인 효율이 무려 33.9%. 론지솔라 창업자 리전궈 회장은 기록 수립을 자축하며  “중국 태양광 산업은 지속적인 기술혁신을 통해 계속 세계를 선도할 것.”이라고 말했습니다. 

 

10년 전 한국화학연구원에서 페로브스카이트 레시피를 만든 장본인  석상일 교수는 “이제 우리나라가 차세대 태양전지 기술을 리드한다고 보기 어려울 정도로 분위기가 바뀌었습니다. 그동안 닦아온 기반이 있으니까 지금이라도 우리가 집중하고 협력한다면 따라잡을 수야 있겠지만, 이대로 1년만 더 머뭇거리면 상당히 어려워질 겁니다. 워낙 기술 진화 속도가 빠르니까요. 론지솔라의 기록도 불과 1년 만에 이뤄진 일이거든요.” 라며 우려의 말을 하였습니다.

 

이렇게 분위기가 바뀐 것은 한국의 기존 태양광 산업 기반이 무너진 데다, 정부 차원의 관심과 지원마저 시들해진 게 원인이라고 합니다. 지금 단계에서 집중해야 하는 연구 분야는 단연 ‘탠덤 태양전지’인데요. 이건 페로브스카이트만 가지고는 개발할 수 없고, 실리콘 태양전지 쪽과 협력해야만 하거든요. 그런데 한국에선 연구용 실리콘 태양전지를 구할 수 있는 곳이 없다고 합니다. 그렇다고 중국 기업에서 들여오려니까, ‘너희가 연구한 걸 발표 전에 미리 보여달라’는 받아들이기 어려운 조건을 내걸고요. 탠덤 태양전지 연구를 하려고 해도 재료를 구하는 것부터 어려운 셈인데요. 아니, 예전엔 한국에도 실리콘 태양전지 만들던 좋은 기술자들이 참 많았는데 말이죠. 다 어디 갔느냐고요? 한국엔 설 자리가 없으니 인도등 해외로 많이들 나가버렸다고 합니다. 

 

게다가 사우디아라비아처럼 정부 차원의 과감한 투자와 지원을 기대하기도 어려운 분위기가 되어 버렸습니다. 한국은 오히려  에너지가 정치화되면서 정부가 태양광 쪽에 대한 드라이브를 많이 낮추면서 연구 지원도 소극적이고 연구비도 대폭 삭감해 버렸습니다. 사실 에너지는 우리의 생존이 달려 있습니다. 미래를 볼지 모르는 무능한 정부가  한심할 뿐입니다. 한국화학연구원에서 차세대 태양전지를 연구하는 강봉주 선임연구원도 지금 상황이 안타깝다고 말하는데요. 얼마 전 올해 차세대 태양전지 관련 과제 연구비가 30~60% 깎였다는 통보를 받았습니다. 그는 이렇게 말합니다.  지금은 빠르게 치고 나가야 하거든요. 앞으로 5년 안에 상업화가 되느냐 아니냐가 굉장히 중요해요. 만약 5년 안에 못 해내면 자칫 또 실리콘 태양전지처럼 될 수 있거든요. 한국이 아주 잘하던 걸 다른 나라에 뺏겨버리게 될까 봐 그게 걱정입니다.

 

마무리

태양전지는 우리의 미래를 밝게 비춰줄 획기적인 기술 중 하나입니다. 그러나 여전히 극복해야 할 문제들이 있기에 연구와 개발이 계속되고 있습니다. 미래에는 보다 효율적이고 경제적인 태양전지 기술이 개발되어 우리의 에너지 구조를 변화시킬 것으로 기대됩니다. 태양전지는 단순히 에너지원일 뿐 아니라 지속 가능한 미래를 향한 첫걸음으로 크게 주목받고 있습니다.  한국의 취약한 태양광 산업 기반, 정부의 태양광에 대한 관심과 지원 부족 때문이라는 게 연구자들 설명입니다. 전 세계가 이 분야에 대한 투자를 늘리는 상황에서 한국 정부는 연구비를 대폭 삭감하는 등 정부의 무능한 대처로  거꾸로 가고 있습니다. 이렇게 주춤하다가는 영영 따라잡지 못할지 모릅니다.