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태양전지 기술 트렌드, p형에서 n형으로 지각변동…탑콘 태양전지 효율 경쟁중
n형 태양전지 2029년 44%로 확대 전망

[인더스트리뉴스 권선형 기자] 태양전지 기술 트렌드 중심이 p형에서 n형으로 옮겨가고 있다. 독일의 태양광 시장조사기관인 ‘ITRPV(International Technology Roadmap)’에 따르면, n형 태양전지는 2021년 15%에서 2029년 44%로 확대될 전망이다. ‘PV 테크 리서치’는 2029년 n형 태양전지 비중이 90%를 넘어설 것이라는 전망까지 내놓고 있다.

태양전지 기술 트렌드 중심이 p형에서 n형으로 옮겨가고 있다. 독일의 태양광 시장조사기관인 ‘ITRPV(International Technology Roadmap)’에 따르면, n형 태양전지는 2021년 15%에서 2029년 44%로 확대될 전망이다. [사진=utoimage]

현재 n형 태양전지 기술 중 가장 주목을 받고 있는 것은 탑콘(TOPCon)이다. 금속막과 실리콘 표면 사이에 실리콘 필름을 활용한 얇은 산화물 계층을 삽입하는 기술로 기존보다 발전 효율이 약 1%P 높다. 실리콘 전자와 정공이 재결합해 전류가 손실되는 것을 방지해 광전 효율을 향상시키는 특징을 갖고 있다.

탑콘은 퍼크(PERC) 생산 설비와 호환성이 높은 장점도 갖췄다. 그만큼 현재 퍼크 중심의 생산라인에서 탑콘으로 전환해도 다른 기술에 비해 투입되는 투자액이 적다. 현재 퍼크 효율은 최대치에 도달한 상황에 직면하며 현재 글로벌 탑콘 태양전지 시장은 기술 개발 경쟁이 한창이다.

한화큐셀은 충북 진천공장에서 퍼크보다 1%P 이상 효율을 향상시킨 탑콘을 올해 4월부터 상업 생산할 계획으로, 탑콘을 활용해 연간 20~30%의 성장이 예상되는 미국 태양광 시장을 집중 공략한다. 신성이엔지는 n형 태양전지의 개발 트렌드는 탑콘과 HJT로 양분될 것으로 판단하고, 단기적으로 탑콘 기술 개발에 나서고 있다. 한솔테크닉스도 n형 태양전지 기술의 상용화 제품인 탑콘 적용 모듈 개발에 나서고 있다. 중국 태양광 기업 트리나솔라, 론지솔라, 진코솔라, JA솔라 등도 대규모 n형 탑콘 대규모 태양전지 및 모듈 생산라인 증설을 계획하고 있다.

국내 기업, 탑콘 태양전지 기술 개발 중

한화큐셀은 충북 진천공장에서 탑콘을 올해 4월부터 상업 생산한다. 한화큐셀에 따르면, 현재 세계 태양광 시장의 90% 이상을 차지하는 퍼크는 후면에 반사막을 삽입해 빛을 반사시켜 발전 효율을 높인 제품으로 평균 효율은 약 23%다. 이에 비해 탑콘은 태양전지에 얇은 산화막을 삽입해 기존보다 발전 효율을 약 1%P 높은 것이 특징이다. 현재 한화큐셀 탑콘 시제품 효율은 약 24.4%로 알려졌다.

한화큐셀은 2021년 11월부터 연 300MW 용량의 탑콘 파일럿 라인을 가동 중이다. 이미 지난해 5월 총 1,800억원을 투자해 한국공장 태양전지 생산 능력을 기존 연간 4.5GW에서 5.4GW로 확대하는 계획도 발표했다. 이 중 1,300억원이 탑콘 양산을 위한 라인 전환과 설비 도입에 쓰인다. 4월부터는 연간 3.9GW의 퍼크와 1.5GW의 탑콘을 생산할 수 있게 된다.

한화큐셀 관계자는 “탑콘 제조 공정은 기존 퍼크 제조공정과 호환성이 높아, 이미 대규모 퍼크 제조라인을 보유한 진천공장에서 제조하기에 적합한 제품”이라며, “탑콘을 활용해 연간 20~30%의 성장이 예상되는 미국 태양광 시장을 집중 공략할 계획으로 이에 따라 진천사업장의 태양광 수출액은 올해 2조원을 넘어설 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

신성이엔지도 탑콘 태양전지 기술 개발에 나서고 있다. 신성이엔지는 n형 태양전지의 개발 트렌드는 탑콘과 HJT 로 양분될 것으로 판단하고 있다. 그 중 현재 가장 빠르게 적용되는 것은 탑콘 기술인 것으로 보고 단기적으로 탑콘 기술을 활용한 태양광 모듈을 개발, 양산할 계획이다. 이후 중장기적으로 기술 개발이 진행되고 있는 HJT 모듈 제품이 점차 시장을 차지할 것으로 전망하고 있다.

신성이엔지 관계자는 “현재 p형 위주의 태양광 시장에서 n형으로의 변경을 위해 태양전지 특성에 따른 모듈화 기술을 위주로 주요 재료 특성공정 단계별 안정화, 양산성신뢰성 평가 등 양산화 기술과 제품을 개발 중에 있다”며, “기존 보유하고 있는 경쟁력 있는 제조기술을 바탕으로 출시될 탑콘 태양광 모듈은 태양광 시장에서 충분한 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 판단하고 있다”고 밝혔다.

한솔테크닉스도 n형 태양전지 기술의 상용화 제품인 탑콘 적용 모듈 개발에 나서고 있다. 한솔테크닉스는 점점 시장에서 고출력 제품의 수요가 늘어나고 있다는 판단에 따라 탑콘을 적용한 모듈 개발로 대응하고 있다. 나아가 페로브스카이트&탠덤 셀의 기술개발 고도화에 지속적인 모니터링과 선행 검토로 기술이 상용화에 진입 했을 시 발 빠르게 대응한다는 계획이다.

현재 n형 태양전지 기술 중 가장 주목을 받고 있는 것은 탑콘(TOPCon)이다. [사진=utoimage]

효율 경쟁 나선 탑콘 태양전지 시장

중국 기업들도 탑콘 기술 개발에 나서며 효율 경쟁에 나서고 있다. 트리나솔라는 n형 기술을 사용한 태양광 모듈의 생산 증대를 위해 중국에 신공장 건설을 시작했다. 트리나솔라는 n형 모듈 채택이 증가하고 있는 추세가 지속될 것으로 판단하고 있다. 특히 n형 기술은 고효율과 고출력을 결합했다는 점에서 매력적인 선택지로 p형 모듈과 비교할 때 더 적은 수의 모듈로 동일량의 전력을 생산할 수 있어 갈수록 수요가 늘 것으로 전망하고 있다.

중국 칭하이성에 들어설 n형 모듈 신공장 ‘슈퍼 팩토리’는 210mm 길이의 웨이퍼와 n형 기술을 사용하는 모듈 등 폴리실리콘 생산을 위한 모든 PV제조 체인을 담당한다. 이 공장에 구축될 생산 라인에서는 매년 300,000미터t의 산업용 실리콘, 150,000미터t의 고순도 폴리실리콘, 35GW의 모노실리콘, 10GW의 웨이퍼 슬라이스, 10GW의 전지, 10GW의 모듈 및 15GW의 모듈 보조 장치를 생산한다.

트리나솔라 관계자는 “향후 3~5년 내에 n형 모듈이 고효율 모듈 시장 부문에서 p형 모듈을 대체할 것으로 확신한다”며, “대량 생산된 210mm n형 태양전지는 이미 25%의 평균 전환 효율을 초과 달성했다”고 밝혔다.

캐네디언솔라도 탑콘에 집중하고 있다. 캐네디언솔라는 1분기부터 고효율 n형 탑콘 모듈의 대량 생산을 시작했다. 182mm 양면 모듈(555W~570W)과 단면 모듈(420W-575W), 210mm 양면, 단면 탑콘 모듈을 생산하고 있다. 양면 모듈과 182mm 모듈은 1분기에 생산을 시작하고 210mm 모듈은 2분기에 생산을 시작할 계획이다.

캐네디언솔라 관계자는 “n형 탑콘 모듈은 2,000시간 습기 및 열 테스트에서 퍼크보다 더 나은 결과를 도출했다”며, “테스트 결과 퍼크는 효율이 1.9% 저하된데 비해 n형 탑콘 모듈은 1% 저하에 그쳤으며, 붕소-산소 관련 광유도 저하도 나타나지 않았다”고 밝혔다. 이어 “n형 탑콘 모듈은 약 25%의 셀 변환 효율을 제공하고 태양광 시장의 주류 제품에 비해 더 높은 에너지 수율, 더 낮은 균등화발전비용, 더 긴 성능 보증을 제공하는 주요 제품 중 하나가 될 것”이라며, “ 올해 출하량의 30%를 n형 탑콘 모듈로 생산할 계획”이라고 밝혔다.

진코솔라도 탑콘 태양전지 효율을 높이는 데 역량을 모으고 있다. 지난해 12월 진코솔라는 182mm 고효율 n형 태양광 모듈에 대한 주요 기술 혁신을 달성했다. 진코솔라는 182mm 이상 대형 단결정 실리콘 탑콘 태양전지의 변환 효율 26.4%를 달성했다.

진코솔라 관계자는 “진코솔라는 n형 모듈 TigerNeo를 선보이며 글로벌 태양광의 n형 시대를 이끌고 있다”며, “TigerNeo는 시스템균형비용을 1.2~1.6% 저감한 데 이어 균등화발전비용을 최대 6% 정도 낮춰 대형 지상 발전소, 상공업 프로젝트, 가정용 장면 태양광 발전 모듈 분야 에서 인기를 얻고 있다”고 밝혔다. 이어 “진코솔라의 182mm 모듈은 고전압 저전류로 시스템의 선손실을 감소시킬 수 있는 장점과 함께 고효율 탑콘 기술을 탑재해 발전소 안전성과 600W 이상의 고출력 수요를 만족시킬 수 있다”고 밝혔다.

론지솔라도 탑콘 태양전지 효율을 높이는 경쟁에 나서고 있다. 론지솔라는 최근 탑콘 태양전지 효율 분야에서 25.09%의 기록을 수립했다고 밝혔다. 독일 하멜린에 소재한 ISFH(Institute for Solar Energy Research)에서 진행한 n형 단결정형 양면 탑콘 태양전지 변환 효율 인증에서는 25.21%을 달성했다.

독일기계공학산업협회(VDMA)가 전망한 웨이퍼 타입별 시장 점유율 예측 [자료=독일기계공학산업협회]

정부, 2023년까지 태양전지 효율 26% 달성 목표

태양전지 시장이 n형으로 중심이 이동함에 따라 정부 또한 세계 최고 수준의 양산효율 달성을 통한 국내 태양광 산업의 경쟁력 확보를 위해 ‘차세대 선도기술 조기확보 태양광 R&D 혁신전략’을 마련하고 있다. 2025년까지 고효율 태양전지 개발에 약 1,900억원을 투자하고 2023년 효율 26%, 2030년 효율 35%를 달성하는 게 목표다.

산업부 관계자는 “탑콘, HJT 등 고효율 구조혁신 기술개발을 통해 2026년까지 실리콘 태양전지 양산 한계효율인 26% 달성을 추진하고 있다”며, “현재 국내 n형 태양전지 및 모듈 기술개발과 관련해서는 24% 이상 n형 대면적 결정질 실리콘 태양전지의 연구개발이 진행되고 있다”고 밝혔다.

2021년부터는 M10 이상 n형 탑콘 태양전지 핵심장비 및 소재 기술개발 과제와 M6 이상 n형 HJT 태양전지 핵심장비 및 소재 기술개발 과제가 진행되고 있다.

정부는 세계적으로 차세대 고효율 태양전지로 주목받는 ‘탠덤 태양전지’ 개발도 집중 투자하고 있다. 해외 경쟁기업 대비 기술격차 2년 확보가 목표다. 탠덤 태양전지는 상부 셀과 하부 셀을 연결해, 상부 셀에서는 페로브스카이트가 자외선이나 가시광선 등 단파장의 빛을 흡수하고, 하부셀에서는 실리콘이 적외선 등 장파장의 빛을 흡수한다. 위아래 층에서 서로 다른 영역대의 빛을 상호 보완적으로 흡수해 효율을 극대화하는 방식이다.

산업부 관계자는 “대기 중에서의 급격한 효율저하 방지 등 장기 신뢰성 확보기술, 소재·장비·공정 등 핵심 기반기술 개발 등에 중점을 두고 있다”며, “다만, 시장 전환기를 견딜 수 있는 경쟁력을 확보할 수 있게 지원하고 탠덤 태양전지 효율 극대화 등을 위해 실리콘 태양전지 고효율화 기술개발도 병행해 추진하고 있다”고 밝혔다.

또한 정부는 갭리스(Gapless), 슁글드(Shingling), 멀티버스바(Multi-busbar) 등 다양한 모듈 종류에 대응할 수 있는 ‘100 MW급 모듈 파일럿라인’과 탑콘 구조를 기반으로 한 ‘50MW급 실리콘 태양전지 파일럿 라인’을 갖춘다는 구상이다. HJT 및 탠덤구조 태양전지 제작까지 확장이 가능한 태양전지 제조 설비를 구축하는 것을 목표로 하고 있다.

한편, 한화큐셀은 탑콘 이후의 차세대 셀인 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지를 2026년 6월 양산을 목표로 R&D를 진행하고 있다. 지난해 3월에는 독일 헬름홀츠 연구소와 협력해 최대 28.7% 효율을 기록한 탠덤 태양전지를 개발해 자체 최고 효율을 기록하기도 했다. 한화큐셀은 탠덤 태양전지의 이론 한계 효율은 44% 수준으로 실제 양산 시 효율이 35%에 이를 것으로 전망하고 있다.

한화큐셀 관계자는 “재생에너지 학계에서는 기존 퍼크 및 탑콘 등 실리콘 기반의 셀의 발전 효율한계가 이론적으로 최대 29% 수준을 넘어서기 어렵다고 보고 있다”며, “이에 태양광 업계에서는 차세대 태양광 시장 기술을 선점하기 위해 완전한 페로브스카이트 셀의 중간단계로 ‘페로브스카이트-실리콘’ 기반의 탠덤 태양전지 개발과 상용화를 위한 경쟁이 치열하다”고 밝혔다. 페로브스카이트는 실험 단계에서 압도적인 효율을 보이지만 열과 습기에 취약한 특성으로 높은 온도의 공정을 거쳐야 하는 상용화 단계에서는 생산에 기술적인 어려움이 있다.

한화큐셀 관계자는 “기존 태양전지 대비 최대 2배 이상의 발전 효율을 가진 탠덤 태양전지 연구개발에 집중해 미래 태양광 시장에서도 기술 격차를 통한 글로벌 선도 기업으로 자리매김할 것”이라고 밝혔다.

[권선형 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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