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[칼럼] n형 실리콘 태양전지가 몰려온다…고효율 n형 탑콘 및 HJT 태양전지 투자 증가세
- 중국 기업들, 올해 n형 태양광 모듈 대규모 생산라인 증설 예고 - 국내 기업의 제조단가 경쟁력 유지 위한 기술개발과 시설투자의 세액공제 등 지원 수단 필요

[글 한국에너지기술평가원 명승엽 태양광PD] 현재 글로벌 태양전지 시장은 p형 단결정 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하는 PERC 태양전지가 시장의 80% 이상을 점유하고 있다. 지난해 7월, 중국 트리나솔라(Trina Solar)가 M12(210x210mm2) 대면적 웨이퍼에서 R&D 최고효율 24.5%를 달성했다고 발표하며(중국 CAM 검증), p형 PERC 태양전지 양산 최고효율도 양산 한계효율(제조단가 증가 없이 달성할 수 있는 최고효율)인 24.5%에 근접할 정도로 기술이 성숙됐음을 알 수 있다.

2023년 국내외 태양광 모듈 시장에는 기술 트렌드의 변화에 따른 기업별 신제품 출시가 예고되고 있다. [사진=utoimage]

양산 평균효율은 24.0%에 도달한 후 정체될 전망이다. 태양전지 및 모듈의 효율 상승은 태양광 설비의 설치면적을 줄여서 경제성을 개선하는 가장 효과적인 방법이기 때문에 기술혁신은 24%의 태양전지 양산효율에 안주하지 않는다.

최근에는 24% 이상의 고효율 태양전지를 개발하기 위해서 대면적 M10(182x182mm2) 이상 크기의 단결정 실리콘 웨이퍼를 사용하는 n형 탑콘(TOPCon) 태양전지(양산 한계효율 28.7%)와 n형 헤테로정션(heterojunction, HJT) 태양전지(양산 한계효율 28.5%)의 개발 및 생산라인 투자가 주목받고 있다(그림 1).

그림 1. 고효율 결정질 실리콘 태양전지 구조 [출처=Taiyaing News]

이밖에도 n형 웨이퍼를 적용한 IBC(Interdigited Back-Contact) 후면전극이나 POLO 태양전지 기술 등도 24% 이상의 고효율 기술개발이 가능하나 현재까지의 기술 분석으로는 제조단가 증가로 인하여 시장점유율이 열위한 상황이다.

<그림 2>는 태양전지 웨이퍼 대면적화 영향과 점유율 전망에 대해 보여준다. 태양전지 제작시 대면적 웨이퍼를 기판으로 사용하면, 면적 증가로 태양전지 출력이 향상된다. 이러한 대면적 태양전지로 모듈을 제작하면, 설치비용(Balance Of System, BOS)과 LCOE(Levelized Cost Of Energy) 경쟁력이 향상된 출력밀도 210W/m2(=모듈 효율 21%) 이상의 고출력 모듈 생산이 가능하다. 2020년부터 본격화된 대면적 웨이퍼 추세는 M6(166x166mm2) 웨이퍼에서 시작되어 M10 웨이퍼를 거쳐 2022년 하반기부터는 M12 웨이퍼가 시장에서 주도권을 잡아가고 있다.

그림 2. 웨이퍼 대면적화에 따른 (좌)글로벌 점유율 전망, (우)설치비용(BOS)의 감소

고출력 모듈 제작을 위한 대표적인 전지간 직렬연결(interconnection) 기술로는 대면적 태양전지를 직렬 연결하여 모듈 제작 시 셀-모듈 전환 효율 손실(CTM loss)을 최소화할 수 있는 셀 분할(하프컷 혹은 멀티컷), 멀티버스바(MBB 혹은 멀티와이어), 갭리스(gap less) 혹은 제로갭(zero-gap), 갭최소(small gap), 슁글드(shingled) 기술 등이 있다.

M10 이상의 대면적 HJT 태양전지를 위해서 급부상한 16개 이상의 버스바를 갖는 멀티버스바 기술을 슈퍼-멀티버스바(Super MBB)라고 부른다. 그 밖에도 HJT 태양전지를 저온에서 직렬연결하기 위한 스마트 와이어(SWCT) 기술도 개발되고 있으나 현재 기술 수준에서는 제조단가 측면에서 열위하다.

1. 기술 개발수준

     1-1 태양전지별 기술 비교

<그림 3>은 태양광 양산제품들의 평균효율 현황과 전망을 보여준다. n형 실리콘 TOPCon, HJT, 후면전극 태양전지 기술들의 양산 평균효율이 지속적으로 증가하여 2023년에는 모든 기술이 24%를 돌파할 것으로 전망된다.

그림 3. 태양광 양산기술 평균효율 전망; (좌)태양전지, (우)모듈 [출처=ITRPV 2021]

n형 실리콘 탑콘, HJT, 후면전극 태양광 모듈 기술들의 양산 평균효율도 꾸준히 증가하여 2023년에는 모든 기술이 세계 최고 수준인 22%를 돌파할 것으로 전망된다. <표 1>에는 p형 PERC, n형 탑콘 및 HJT 고효율 태양전지 양산 기술들의 2021년 기준 설비투자비와 태양전지 효율모듈출력모듈 가격을 비교하였다. 최근에는 n형 탑콘 및 HJT 태양광 모듈에 대한 R&D와 생산라인 투자의 관심이 급증하면서 제조단가가 빠르게 낮아져 경제성을 확보해나가고 있다.

표 1. 고효율 태양전지 현재 양산 기술 비교 [출처=(PV InfoLink) PV Magazine 2021. 6.]

     1-2 글로벌 기술개발 수준

중국 진코솔라(Jinko Solar)가 지난해 12월 M10(면적 330cm2) 웨이퍼 기반 n형 탑콘 태양전지 세계최고 R&D 효율 26.4% 달성을 주장했다(중국 CAM 검증). 중국 론지솔라(LONGi Solar)는 지난해 11월 M6(면적 274cm2) 웨이퍼 적용 n형 HJT 후면전극(HBC) 태양전지 세계최고 R&D 효율 26.8%를 달성했다고 발표했다(독일 ISFH 검증).

이는 결정질 실리콘 태양전지가 미국의 벨 연구소(Bell Labs)에서 개발된 이후 68년 만에 중국 기업이 세계 최고 효율에 등극한 역사적인 기록이라고 홍보하고 있다. 이전 최고 기록은 HBC 기술을 적용한 일본 가네카(Kaneka)의 26.7%(면적 79cm2)이었다. 참고로, 일본 가네카는 이 기술을 적용하여 R&D 모듈 효율 24.4%(면적 1.3m2)를 기록하였다.

론지솔라는 지난해 M6 웨이퍼 적용 n형 HJT 태양전지 세계 최고 R&D 효율 26.5%를 달성하였고(독일 ISFH 검증), 인듐-프리(In-free) 투명전극을 적용한 M6 웨이퍼 적용 n형 HJT 태양전지 세계 최고 R&D 효율 26.1%도 달성하였다(독일 ISFH 검증).

한편, 중국 장비업체인 맥스웰(Maxwell)은 지난해 9월 호주 스타트업 선드라이브(SunDrive)와의 협업으로 구리(Cu)도금으로 은(Ag) 전극 사용을 대체하여 제조단가를 낮출 수 있는 은-프리(Ag-free) M6 웨이퍼 적용 n형 HJT 태양전지 세계 최고 R&D 효율 26.4%를 발표하였다(독일 ISFH 검증).

그림 4. 고효율 결정질 실리콘 상용 모듈 순위 [출처=Taiyang News 2023. 2.]

태양광 모듈 제품의 국내 기술수준은 세계최고 수준을 유지하다가 최근에 중국 기업들에게 기술격차가 역전되는 경향을 보인다. <그림 4>는 Taiyang News가 2023년 2월 기준으로 발표한 상용 모듈 제품의 효율 순위이다. <표 2>에서는 상위 14위 모듈 제품들의 상세 사양을 보여준다. 결정질 실리콘 상용 모듈 효율 순위 1위는 중국 론지솔라와 미·중 합작 맥시언솔라(Maxeon Solar)가 22.8%(출력밀도 228W/m2)로 공동차지하고 있다. 3위는 중국 진코솔라의 22.65%(출력밀도 226.5W/m2)이며, 14위는 국내 한화솔루션의 22.0%(출력밀도 220W/m2)이다.

표 2. Top14 고효율 태양광 모듈별 세부기술 사양

한때, 국내 LG전자가 n형 후면전극 제품으로 22.3%(출력밀도 223W/m2)로 상위권을 차지하고 있었으나 지난해 태양광 사업 철수로 순위에서 제외되었다. 웨이퍼 타입을 밝히지 않은 론지솔라를 제외한 모듈 효율 상위권 제품들이 모두 n형 태양전지를 적용하고 있으며, 상위권 대부분이 중국기업이라는 점을 주목해야 한다.

현재 국내에서는 n형 태양전지 및 모듈 기술개발 수준의 제고를 위하여 24% 이상 n형 대면적 결정질 실리콘 태양전지의 연구개발을 추진하고 있다. 2021년부터 M10 이상 n형 TOPCon 태양전지 핵심장비 및 소재 기술개발 과제와 M6 이상 n형 HJT 태양전지 핵심장비 및 소재 기술개발 과제를 지원하고 있다. 주성엔지니어링은 정부지원을 통하여 HJT 태양전지의 핵심장비인 PECVD를 개발하면서 M6 웨이퍼에서 25.15%의 고효율 n형 HJT 태양전지 달성을 발표하였다. 2022년부터는 700W+(출력밀도 220W/m2 이상) 고출력 모듈 기술개발 및 실증 과제를 지원하고 있다. 2023년에는 M10 이상 고효율 n형 HJT 태양전지 및 고출력 모듈 양산기술 고도화 기술개발 과제를 기획하여 공고 중이다.

2. 시장현황

     2-1 해외 시장현황 및 전망

글로벌 시장은 결정질 실리콘 태양광 중심으로 지속적인 성장세를 기록하고 있다. 2021년에는 코로나 사태와 글로벌 공급망 위기에 의한 원자재 가격 급등에도 불구하고, 글로벌 신규설치용량 175GW를 기록하였다.

2022년에는 러우 전쟁으로 촉발된 에너지안보 이슈와 탄소중립 산업경쟁력 강화를 위해서 미국유럽인도중국일본 등 각국이 경쟁적으로 자국우선주의적 재생에너지 가속화 정책을 발표했다. 이를 기반으로 신규 설치용량은 사상 최초로 200GW를 돌파하여 잠정적으로 260GW를 기록한 것으로 분석된다(출처: IEA, BNEF, PV InfoLink, IHS Markit 보고서 종합).

글로벌 태양광 모듈 시장의 95%를 결정질 실리콘 태양광 모듈이 점유하고, 나머지 5%를 CdTe, CIGS와 같은 화합물 박막 태양광 모듈이 차지하고 있다. 최근 폴리실리콘·유리 수급 불안정, 은 가격 상승, 코로나로 인한 해운 운송비 급등, 미중 무역 갈등과 중국의 전력난 등 다수의 요인으로 원자재 가격 폭등에 의해서 밸류체인 가격이 상승했다. 2022년 하반기에 이르러서는 폴리실리콘 생산용량이 급증하면서 시장은 점차 수급안정화 상태로 전환하여 2022년 말부터 전 밸류체인 가격은 하락세를 이루고 있다.

현재 p형 PERC 태양전지가 태양전지 시장의 80% 이상을 차지하고 있지만, 고효율을 위한 n형 탑콘 태양전지와 HJT 태양전지 투자가 증가하고 있어 점유율이 상승할 것으로 전망된다(그림 5). 특히, 2023년에는 트리나솔라, 진코솔라, JA라(JA Solar), 캐네디언솔라(Canadian Solar), 통웨이솔라(Tongwei Solar), 아스트로너지(Astronergy) 등 중국 기업들이 대규모 n형 탑콘 태양전지 및 모듈 생산라인 증설을 예고하고 있어서 탑콘 태양광 모듈 시장점유율이 급격히 증가하는 한 해가 될 것으로 예상된다.

그림 5. 태양전지 기술별 시장점유율 전망 [출처=ITRPV 2021]

  * 글로벌 신규설치용량(GW): (’16) 76 → (’17) 100 → (‘18) 104 → (‘19) 118 → (‘20) 175 → (‘21E) 260

코로나 및 글로벌 공급망 사태에도 불구하고 중국기업들은 사상 최대 규모의 투자를 통해서 태양광 전 밸류체인의 독점을 심화하고 있으며, 독자적인 공급망을 구축하기 위해서 태양광 수직계열화를 추구하고 있다.

  * (폴리실리콘) (‘21) 505,000MT, 점유율 79%, 전년 대비 27.5% 증가; (’22E) 700,000MT

  * (웨이퍼) (‘21) 227GW, 점유율 97%, 전년 대비 40.6% 증가; (’22E) 293GW

  * (태양전지) (‘21) 198GW, 점유율 81%, 전년 대비 46.9% 증가; (’22E) 261GW

  * (모듈) (‘21) 182GW, 점유율 75%, 전년 대비 46.1% 증가; (’22E) 233GW

     2-2 국내 시장현황 및 전망

국내 태양광 산업은 가격경쟁력의 한계로 밸류체인 업스트림에서부터 순차적으로 중국의 독점이 심화됨에 따라 점차 산업경쟁력을 상실하고 있다. 그럼에도 불구하고 2021년 기준, 국내보급 태양전지 국산화율 35%, 모듈 66%로 선방하고 있으며(출처: 한국에너지공단), 글로벌 모듈 출하량 상위 10개사 중 8개사가 중국기업이 차지하고 있는 상황에서 한화솔루션이 7위(8.1GW)를 차지하고 있다(출처: PV InfoLink, ‘22).

  * 누적설치용량 : (‘18) 8.7GW → (‘19) 12.6GW → (’20) 17.3GW → (’21) 21.7GW → (’22E) 24.8GW

  * 신규설치용량 : (’18) 2.4GW → (’19) 3.9GW → (’20) 4.7GW → (’21) 4.4GW → (’21E) 3.1GW

무역협회에서 제공한 최근 태양광 밸류체인 수출입 동향을 살펴보면, 2022년 수출액은 16.4억 달러(전년 11.9억 달러 대비 38% 증가), 수입액은 12.3억 달러(전년 11.8억 달러 대비 4% 증가), 무역수지는 약 4.1억 달러(전년 0.1억 달러 대비 4억 달러 증가) 흑자로 집계되었다.

표 3. 국내 태양광 밸류체인 수·출입 동향 [출처=무역협회]

국내 산업 현황을 살펴보면, 국내 10여개 태양전지모듈 제조업체는 세계 최고 수준의 양산기술과 중국인도·베트남에 이어 세계 4위 수준의 생산용량을 보유하고 있었으나, 규모의 경제를 갖춘 중국 기업들에 비해서 가격경쟁력이 열위하고 기술격차가 역전되고 있다. 2021년 4월 기준 국내 생산용량은 태양전지 5.2GW, 모듈 9.4GW이고, 고출력 모듈 생산을 위해서 대면적(M10, M12) 웨이퍼에 대응 가능한 태양전지 및 모듈 생산라인에 투자 중이다. 소재장비 등의 국내 기반은 전반적으로 취약해지고 있다.

3. 신성장원천기술 신규 포함 및 기대효과

     3-1 선정이유

태양광산업은 글로벌 RE100과 탄소중립 실현의 핵심적인 역할을 담당하며, 이러한 정책 기조에 힘입어 지속적인 성장과 고급 일자리 창출을 선도할 것으로 전망된다. 2022년 글로벌 재생에너지 총 투자액 4,950억 달러 중 태양광이 62%인 3,080억 달러를 차지했다(출처: BNEF, 2023 Energy Transition Investment Trend).

글로벌 태양광 누적설치용량은 2009년 25GW에서 2019년 627GW로 10년간 24배 성장하였으며, 2022년 5월 1TW를 돌파하는 이정표를 세웠다. 미국 에너지부(Department of Energy) 시나리오에 의하면, 2035년까지 미국 전역에 1TW의 태양광 보급시 관련 일자리는 150만개로 확대될 전망이다(출처: Solar Futures Study, ‘21. 09).

향후 세계 경제가 가격 중심에서 탄소저감 중심으로 변경되면, 국내 태양광 기업은 중국과의 가격경쟁력을 극복하고 해외 시장 진출 확대가 가능해진다. 미국과 EU는 이산화탄소 배출이 많은 국가나 기업의 수출품에 대해 무역 관세를 부과하는 탄소국경조정제도(CBAM) 도입을 준비 중이다. 중국에서 생산되는 결정질 실리콘 태양광 모듈의 CO2 배출량이 독일 대비 40%, EU 평균 대비 70% 가량 높은 것으로 분석된다(출처: Annual Report of Fraunhofer ISE, ‘21. 09).

재생에너지 설치면적에 제한이 있는 국내 환경에서는 n형 고효율 태양전지 및 모듈 효율상승에 의한 동일면적 발전량 증가가 RE100과 탄소중립 실현 가속화에 있어서 가장 현실적인 대안 중 하나이다. 향후 시장에서 태양광발전의 BOS 및 LCOE를 동시에 효율적으로 절감하려면 고출력, 고효율 모듈이 필요하며, 24% 이상의 고효율 태양전지 개발이 필수적이다.

또한, 중국과 제조단가 경쟁력을 유지하려면 기술개발과 시설투자의 세액공제 등의 지원 수단이 필요하다. 따라서 고효율 대면적 n형 태양전지 및 고효율 태양광 모듈 개발을 신성장·원천기술로 지정하여 양산 한계효율 26%까지 조기 달성하면서 경쟁국 대비 산업경쟁력을 유지하려 한다.

표 4. 조세특별제한법 신성장원천기술 시행령 개정내용 [출처=법제처]

     3-2 기대효과

2023년 조세특별제한법 신성장원천기술 시행령에 n형 결정질 실리콘 태양전지와 이를 적용한 고출력 모듈 기술이 신재생에너지 분야에 신설된다. R&D 투자액에 대해서는 최대 30%, 시설투자액에 대해서는 3~12%의 세액공제가 가능해진다. R&D 및 시설투자 세액공제 적용을 통해 절감한 비용의 추가 생산라인 구축투자가 가능할 것으로 예상된다.

고효율 태양광 기술 선점을 기반으로 2030 국가 온실가스 감축목표(NDC)와 2050 탄소중립 이행 가속화를 위한 산업경쟁력 제고와 에너지 안보 확보가 기대된다. 태양광 100GW 설치용량당 연간 발전량 31.4TWh, 온실가스 배출량 55.7백만t 저감이 가능하다. 또한, 미국, 유럽 등 해외 유망시장을 겨냥한 고출력 태양전지 및 모듈 수출에 기여할 것으로 기대된다.

중국이 주도하는 태양광 시장의 게임체인저 기술로 산업부가 국정과제로 수행하고 있는 결정질 실리콘 한계효율(30%)을 극복하는 차세대 초고효율 결정질 실리콘 기반 탠덤 태양광 상용기술 선점을 위해서도 하부셀로 사용될 고효율 대면적 n형 태양전지 기술개발이 필수적이다. 중국이 독점하고 있는 현재의 밸류체인에서 탈피한 차세대 핵심소재-장비-공정-재활용 기술의 국내 밸류체인 구축을 통한 글로벌 공급망 위기 해소가 가능하다. 차세대 기술 선점과 저탄소 순환경제 구축 병행을 통한 글로벌 시장 선점이 가능할 것으로 전망된다.

[인더스트리뉴스 (webmaster@industrynews.co.kr)]

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