태양 전지계의 다크호스, OPV(유기박막 태양전지) 시장 동향

유연성을 갖춘 OPV는 모빌리티, 웨어러블 등 다양한 분야에 적용 가능
하지만, 효율과 내구성 개선 필요

태양전지(태양광 모듈)는 태양의 빛을 전기에너지로 전환하는 장치다. 모듈은 소재 종류에 따라 실리콘계, 화합물 반도체계, 유기계로 나뉘며, 상용화 순서에 따라 1세대, 2세대, 3세대로 구분한다.

1세대는 단결정⋅다결정 실리콘모듈이다. 불투명하지만 효율이 좋고 안정성도 우수하다. 공정과정으로 단결정⋅다결정 실리콘 모듈로 구분된다. 다결정 실리콘 모듈은 여러 실리콘을 한꺼번에 녹여서 만들어낼 수 있다. 반면 단결정 실리콘 모듈은 하나의 결정만을 정제해야 하기 때문에 훨씬 정교하고 복잡한 공정 과정을 필요로 한다. 공정 비용 역시 단결정이 비싸지만 효율은 우수하다.

2세대는 박막 모듈이다. CdTe(Cadmium Telluride, 카드뮴 텔루라이드), CIGS(Copper indium gallium selenide), a-Si 실리콘(Amorphous silicon) 박막 모듈이 대표적이다. ▲CdTe는 낮은 생산비용⋅높은효율을 자랑하나 카드뮴의 독성으로 인해 시장 확대에 한계가 있다 ▲CIGS도 효율은 좋다. 하지만 대면적화 시키기 어렵다 ▲a-Si는 생산비용도 낮고, 효율성도 좋다. 대면적화도 가능하다. 하지만 장기간 사용시 효율⋅내구성 저하의 단점이 있다.

3세대는 DSSC, OPV로 정의한다. DSSC(Dye-Sensitized Solar Cell: 염료감응) 태양전지는 다양한 색상 구현이 가능하다. 하지만 효율성과 내구성의 개선이 필요하다. OPV(Organic Photovoltaic: 유기박막태양전지)는 생산 단가가 낮고 플라스틱과 필름 위에도 박막 형성이 가능하여 웨어러블 기기에 적용 가능하다. 하지만 DSSC 태양전지와 마찬가지로 내구성 및 효율성개선이 필요하다.

태양전지는 설치는 발전소, 가정을 벗어나 자동차, 모빌리티, 유리, 웨어러블 기기로 진출하고 있다. 발전소와 가정에 적용되는 태양전지는 효율만 좋으면 된다. 하지만 자동차, 모빌리티, 웨어러블 등에 설치되는 태양전지는 경량성까지 요구된다. 플라스틱, 유리, 철 등 다양한 기판에 장착가능하고 경량성까지 보유한 OPV가 주목받고 있는 이유다.

높은 내구성과 고효율의 OPV를 기다리는 산업분야는 건설, 자동차 제조 등 다양하다. 투명도를 갖춘 OPV 태양전지는 건물 유리뿐만 아니라 차량에도 적용 가능하기 때문이다. 실제 ▲테슬라는 모델 3에 태양광 루프 도입을 시도했다가 취소한 적이 있으나, 사이버트럭 루프의 태양광 패널 설치 가능성에 대해서는 부정하지 않고 있다 ▲미국 태양광 전기차 압테라(Aptera)는 태양전지판에 의해 동력을 얻는 3륜 전기차 출시 예정이다. 프로토타입은 지난 9월 공개했다 ▲험블모터스는 2024년 양산 목표로 루프와 창문에 태양광 패널이 부착된 차량을 개발하고 있다. 단, 차량가격이 10만 9,000달러 이상이라는 점이 부담스럽다.

OPV(Organic Photovoltaic: 유기박막태양전지)는 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 ▲ 전도성 유기 재료를 이용하여 광활성층을 구성한다. 양극은 높은 일함수를 갖는 투명전극인 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide; ITO)로 구성되고 ▲음극은 낮은 일함수를 갖는 알루미늄, 불화리튬 성질을 가진 금속으로 구성된다. ▲전도성유기재료는 전자주개물질(Donor)과 전자 받개(Acceptor)물질이 층형태로 만들어졌다. 태양광을 받으면 광자의 흡수로 전자주개물질이 여기 상태가 되어 전자-정공 쌍이 생성된다. 이후 전자-전공 쌍은 분리영역으로 확산되어 전하 분리되며, 전자는 전자 받개 물질을 통하여 음극으로, 정공은 전자 주개 물질을 통하여 양극으로 이동하여 외부로 전류가 흐르게 되는 원리다.

광활성층에 적용되는 전도성유기재료는 유기물이 사용된다. 무기물을 사용하는 실리콘 태양전지 대비 시 원가도 저렴하다. 또한 롤투롤(Roll-to-Roll), 스크린프린팅 방법으로 제작 가능해 대면적 생산에도 용이하다.

OPV 분야의 대표업체로는 독일의 헬리아텍(Heliatek), 덴마크의 인피니티PV(Infinity PV), 그리스의 OET가 있다. 헬리아텍은 드렌스덴 기술대학과 울름 대학의 스핀오프 컴퍼니다. 총 $155.7M 투자 유치에 성공했으며 2016년에 OPV 모듈 효율성 13.2% 달성하기도 했다. 주로 빌딩 외벽 분야에 적용되는 OPV를 제작한다. 프랑스에 세계 최대규모의 OPV를 설치한 레퍼런스를 보유하고 있으며, 스페인, 터키 등 다양한 국가에 제품을 적용하고 있다.

덴마크 기술대학교 교수 출신인 프레드릭 크렙스(Frederik C. Krebs)가 설립한 덴마크의 인피니티 PV는 외부 투자를 받지 않고 31명의 내부 투자자들이 구축한 회사다. 인쇄전자, 특히 OPV 분야에 집중하고 있다. MIT, NC 주립대, 캘거리 대학, 케임브리지 대학, 샌디에고 주립대학 등 전 세계 여러 대학과 파트너쉽을 체결했다. OPV를 비롯해 회로기판, 테스트기, 소프트웨어 등의 토탈솔루션을 공급한다.

그리스의 OET는 정밀 광학 측정 및 펄스 레이저 기술(장비) 기반으로 OPV 생산라인을 구축했다. 경쟁사 OPV 대비, 고 투명성이 장점이며, 특히 BIPV 적용 시 경쟁력을 가진다.

출처-IT Times: http://www.ittimes.com/news/articleView.html?idxno=347

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