전 세계 에너지 패러다임이 재생에너지 중심으로 급격히 전환되는 가운데, 태양광 발전은 2024년 기준 전 세계 전력 생산에서 핵심적 역할을 수행하고 있습니다. 국제 에너지 기구의 보수적 전망조차 지속적으로 상회하며 성장세를 이어가는 태양광 산업은 2050년 탄소중립 달성을 위한 필수 기술로 자리매김했습니다. 하지만 중국의 공격적인 저가 물량 공세 속에서 한국 태양광 산업의 생존 전략과 차세대 기술 개발의 중요성이 그 어느 때보다 강조되고 있습니다.
탠덤 태양전지의 기술적 혁신과 효율 한계 돌파
단일 접합 태양전지는 PN접합 하나로는 이론상 약 30%의 효율 한계를 넘을 수 없습니다. 이는 태양광 스펙트럼에서 하나의 반도체 물질이 흡수할 수 있는 파장 영역이 제한적이기 때문입니다. 밴드갭이 대략 1.1 일렉트론볼트 전후인 물질들은 특정 영역의 빛만 효율적으로 전기로 변환할 수 있으며, 나머지 파장대의 에너지는 활용되지 못하고 손실됩니다.
이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 탠덤 태양전지입니다. 탠덤은 두 개 이상의 서로 다른 반도체 물질을 접합하여 각기 다른 파장대의 빛을 흡수하도록 설계된 구조입니다. 예를 들어 상층부 태양전지가 청색광과 자외선 영역을 흡수하고, 하층부 태양전지가 적색광과 적외선 영역을 흡수하는 방식으로 태양광 스펙트럼을 보다 효율적으로 활용합니다. 이미 우주용 태양전지에서는 갈륨비소 등의 화합물 반도체를 사용한 다중접합 구조로 30%를 훨씬 넘는 효율을 달성하고 있습니다.
지상용 탠덤 태양전지의 핵심은 비용 효율성입니다. 우주용처럼 고가의 갈륨비소를 사용할 수 없기 때문에, 이미 상용화되어 저렴한 실리콘 태양전지 위에 다른 파장대를 흡수할 수 있는 저렴한 물질을 결합하는 방식이 주목받고 있습니다. 이론적으로 이중접합 탠덤 태양전지는 44%의 효율을, 무한접합 구조에서는 60% 이상의 효율을 달성할 수 있습니다. 현재 실리콘 단일접합 기술이 실험실에서 27.8%까지 도달한 상황에서, 탠덤 기술을 통해 35% 이상의 모듈 효율을 2030년대 중반까지 상용화하는 것이 국가 과학기술 로드맵의 목표로 설정되어 있습니다.
중요한 점은 탠덤 태양전지 제작이 단순히 두 개의 고효율 셀을 물리적으로 겹치는 것이 아니라는 사실입니다. 상층 태양전지가 자신이 흡수할 파장대를 최적으로 흡수하면서도 하층으로 충분한 빛을 투과시켜야 하며, 이를 위한 밴드 엔지니어링과 구조 설계가 필수적입니다. 따라서 단일접합에서 26% 효율을 달성한 물질이라도 탠덤 구조에서는 전혀 다른 최적화 과정을 거쳐야 합니다. 이는 완전히 새로운 기술 영역으로, 한국이 선도할 수 있는 고부가가치 연구개발 분야입니다.
페로브스카이트 태양전지의 급속한 발전과 상용화 과제
페로브스카이트는 바륨, 타이타늄, 산소가 특정한 큐브 구조를 이루는 고체 화합물의 구 조명입니다. 이 페로브스카이트 구조를 가진 물질을 태양전지 재료로 활용했을 때 놀라운 효율 향상 속도를 보이며 태양광 업계의 게임 체인저로 주목받고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 특징은 효율 개선 속도가 기존 어떤 태양전지 기술보다 빠르다는 점입니다. 재료 조성 변경, 공정 최적화, 구조 개선 등을 통해 단기간에 단일접합 기준 26% 이상의 효율을 달성했습니다.
그러나 페로브스카이트도 단일접합으로는 30%의 물리적 한계를 넘을 수 없습니다. 이 때문에 페로브스카이트의 진정한 가치는 탠덤 구조에서 발현됩니다. 실리콘과 페로브스카이트를 결합한 탠덤 태양전지는 실리콘이 적외선 영역을 담당하고 페로브스카이트가 가시광선 영역을 흡수하는 방식으로 상호보완적 역할을 수행합니다. 또한 서로 다른 밴드갭을 가진 페로브스카이트 물질들을 조합하여 페로브스카이트-페로브스카이트 탠덤을 구성하는 연구도 활발히 진행 중입니다.
페로브스카이트 기술의 상용화를 위해서는 여전히 해결해야 할 과제들이 존재합니다. 장기 안정성 확보, 대면적 제조 공정 개발, 환경 안정성 향상 등이 핵심 과제입니다. 특히 실리콘은 이미 수십 년간 상용화되어 27.8%까지 효율을 끌어올린 성숙한 기술인 반면, 페로브스카이트는 탠덤 구조에 최적화된 밴드갭 조정과 인터페이스 엔지니어링이 필요합니다. 실리콘 자체도 벌크 셀, 탑콘셀, HJT셀 등 다양한 구조 개발을 통해 현재의 효율에 도달했듯이, 페로브스카이트 역시 탠덤 응용을 위한 독자적 기술 개발이 요구됩니다.
한국은 페로브스카이트 연구에서 세계적 수준의 기술력을 보유하고 있으며, 특히 탠덤 구조 최적화와 대면적화 연구에서 경쟁력을 갖추고 있습니다. 중국이 물량 공세로 시장을 장악하려는 현 상황에서, 페로브스카이트 탠덤 기술은 한국이 기술 선도국으로 도약할 수 있는 핵심 기회입니다. 기존 실리콘 산업 기반 위에 페로브스카이트 기술을 접목한다면, 차세대 고효율 태양전지 시장에서 중국과 차별화된 경쟁력을 확보할 수 있을 것입니다.
한국 태양광 산업의 생존 전략과 글로벌 경쟁력 확보
2010년 전후 중국이 대규모 정부 지원을 바탕으로 태양광 산업에 뛰어들면서 글로벌 태양광 시장의 지형도가 완전히 재편되었습니다. 중국은 전 세계 태양광 부품 시장의 90% 이상을 석권하고, 신규 설치량의 50% 이상을 중국산 제품이 차지하고 있습니다. 더욱 우려스러운 것은 중국이 고급 기술인 탠덤셀을 포함한 고성능 제품조차 저가에 판매하며 시장을 교란하고 있다는 점입니다. 이는 단기적으로 중국 경제에도 부정적 영향을 미쳐 중국 정부가 조정에 나서고 있지만, 이미 많은 국가의 태양광 산업이 붕괴되거나 크게 위축되었습니다.
이러한 상황에서도 한국은 한화와 현대라는 두 개의 탄탄한 태양광 기업을 보유하고 있습니다. 한화는 독일의 큐셀을 인수하며 글로벌 밸류체인 구축을 추진하고 있으며, 현대는 고품질 셀 제조 기술을 바탕으로 국내외 시장에서 신뢰를 쌓아가고 있습니다. 이들 기업은 중국의 저가 공세 속에서도 기술력과 품질로 차별화를 시도하고 있습니다. 실제로 해외 바이어들이 중국산이 아닌 한화나 현대 제품을 구매하고자 해도 물량 확보가 어려운 경우가 발생하는데, 이는 한국 기업들이 무분별한 증산보다는 수익성과 기술 경쟁력 확보에 집중하고 있기 때문입니다.
한국 태양광 산업의 생존과 성장을 위해서는 전략적 접근이 필수적입니다. 첫째, 차세대 기술인 페로브스카이트 탠덤 태양전지 개발에서 선도적 위치를 확보해야 합니다. 둘째, 일정 규모의 내수 시장을 통해 기술 검증과 양산 경험을 축적하고 이를 해외 수출로 연결하는 선순환 구조를 만들어야 합니다. 셋째, 한화와 현대 같은 핵심 기업들이 중국의 치킨게임에 말려들지 않고 지속 가능한 성장을 할 수 있도록 정책적 지원과 국민적 관심이 필요합니다.
다른 국가들이 이미 태양광 산업을 포기하거나 중국 의존도를 높이고 있는 상황에서, 한국이 두 개의 대기업을 보유하고 있다는 사실은 부러움의 대상입니다. 에너지 안보 차원에서도 한 국가에 과도하게 의존하는 것은 위험하며, 따라서 한국의 태양광 기술과 생산 능력은 글로벌 공급망 다변화에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 중국이 현재 고품질 제품을 헐값에 판매하며 시장 교란을 일으키고 있지만, 중국 정부의 산업 조정과 함께 시장은 점차 정상화될 것으로 예상됩니다. 이 과정에서 한국 기업들이 기술 우위와 품질 신뢰도를 바탕으로 입지를 확대한다면, 차세대 태양광 시장에서 재생에너지 선진국으로 도약할 수 있을 것입니다.
전 세계가 2050년 탄소중립을 향해 나아가는 과정에서 재생에너지, 특히 태양광의 비중은 70% 이상으로 확대되어야 합니다. 국제 에너지 기구조차 매년 전망치를 상회하는 태양광 성장세를 목격하고 있으며, 탠덤 태양전지와 페로브스카이트 기술은 이러한 전환을 가속화할 핵심 기술입니다. 한국은 좁은 국토와 제한된 자원에도 불구하고 인재와 기술력으로 세계 시장에서 경쟁해 온 역사를 가지고 있습니다. 태양광 산업 역시 기술 혁신과 전략적 정책, 그리고 국민적 관심과 응원이 결합된다면 중국의 물량 공세를 이겨내고 글로벌 태양광 강국으로 자리매김할 수 있을 것입니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=IGGcKtpTqG0