[한국에너지기술평가원 명승엽 PD] 글로벌 에너지전환에 있어 태양광 중심의 재생에너지 확대가 지속될 것으로 보인다. 국제에너지기구(IEA)가 발표한 ‘세계에너지전망 2023’ 보고서에 따르면, 태양광 중심의 재생에너지가 2030년 글로벌 전력믹스의 절반을 차지할 것이며, 2050년 탄소중립을 위한 4가지 시나리오에서도 모두 글로벌 전력믹스의 1위를 태양광으로 예상하고 있다. 이를 뒷받침하는 네이처커뮤니케이션 게재 논문에서도 균등화발전단가(LCOE) 측면에서 태양광을 가장 저렴한 재생에너지원으로 분석해 관련 내용이 주목된다.
 

#1. IEA ‘세계에너지전망 2023’ 보고서… “태양광 중심 에너지전환 지속”

글로벌 에너지전환을 위한 태양광의 역할(좌), 2015-2030 글로벌 에너지분야 탄소배출 저감 기여 전망(우) [자료=IEA, 2023. 10.]

IEA의 최신 세계에너지전망 2023(World Energy Outlook 2023) 보고서에서는 기후위기 대응을 위한 온실가스 배출 저감 파리협정 목표 달성을 위해 2030년까지 재생에너지 용량을 현재의 3배로 늘리려는 공격적인 노력을 제안하고 있다.

현재 명시된 정책 시나리오(STEPS)에 따라 태양광 중심의 재생에너지는 2030년 글로벌 전력믹스의 50%를 차지할 것으로 분석되고 있다. 신규설치용량에서는 태양광이 과반을 차지하는 재생에너지가 전체의 80%를 차지할 전망이다.

NZE(Net Zero Emissions) 시나리오에 따르면, 전 세계가 2030년까지 연간 800GW의 태양광발전 신규용량을 추가한다면 중국만으로도 석탄화력 발전량의 20% 추가 감소가 가능하다. 태양광 제조용량은 지난 10년 동안 글로벌 수요 증가를 충족하기 위해 10배가 증가하는 눈에 띄는 확장을 경험했다. 향후에도 글로벌 투자에 기반한 공급망 확대와 연계해 태양광 모듈 생산용량은 2022년 640GW에서 2030년 1,200GW 수준으로의 확장이 전망된다. 태양광발전 용량 측면에서도 지난 10년동안 7배 이상 성장했다.

① 2030년 태양광 모듈 생산용량 및 추가 전망, ② 2022년 vs 2030년 청정에너지 분야 주요자원 수요, ③ 태양광과 풍력에 의한 글로벌 전력 공급 재편 시나리오, ④ 2010-2050년 글로벌 전력 수요(좌) 및 2022년 vs 2050년 글로벌 전력 믹스 구성 전망(우) [자료=IEA, 2023. 10.]

STEPS에서는 글로벌 태양광 신규설치용량은 2022년 220GW에서 2030년 500GW로 계속 확대되지만, 급속한 제조역량의 확대로 인해 제조역량과 신규설치용량의 차이는 커질 전망이다. 이는 태양광 중심의 글로벌 에너지전환을 가속화할 수 있는 기회를 제공할 수 있다.

현재 태양광 제조용량은 상위 5개 국가에 글로벌 역량의 90% 이상이 집중돼 있다. 중국이 글로벌 모듈 생산용량의 80% 이상을 차지하는 연간 500GW 이상의 압도적인 제조용량을 보유하고 있으며, 나머지 4개국은 점유율 순으로 베트남(5%), 인도(3%), 말레이시아(3%), 태국(2%)이다. 6~10위 국가로는 각각 1% 수준의 점유율을 보유한 미국, 대한민국, 캄보디아, 튀르키예, 대만이 있다. 이에 따라, 향후 중국의 경제성장이 글로벌 태양광 시장에 큰 영향을 미칠 수 있는데, 최근 둔화 조짐을 보이는 중국 경제에 주목할 필요가 있다.

에너지전환을 위해서는 에너지의 전기화가 필수라고 할 수 있다. 태양광과 풍력의 재생에너지 수요를 만족하기 위한 주요자원 수요를 살펴볼 때 태양광은 풍력이나 배터리에 비해 희토류 의존도가 매우 낮다. 실리콘과 은 수급이 주요 이슈가 될 수 있다.

2020-2030년간 글로벌 가장 저렴한 에너지원 변화 [자료=Nature Communications, 2023. 10.]

결론적으로는 IEA가 제시하는 2050년 탄소중립 시나리오 4가지 모두 글로벌 전력믹스의 1위를 태양광으로 예상하고 있다. 최근 네이처 자매지인 네이처커뮤니케이션(Nature Communications)에 게재된 논문도 이러한 주장을 뒷받침하고 있다. 영국 엑시터(Exeter)대학과 유니버시티칼리지런던(UCL)에서 E3ME-FTT라는 데이터 기반 에너지-기술-경제 모델을 적용해 2060년까지의 에너지 기술 보급을 예측했다.

현재 진행 중인 에너지 정책 기반으로 시뮬레이션한 결과, 태양광발전 중심의 글로벌 에너지전환 경계점을 이미 넘었을 가능성이 있어 이제는 돌이킬 수 없다는 주장이다. 견고성 테스트를 위해 수행된 시뮬레이션들의 72%가 태양광이 2050년 글로벌 발전량의 50% 이상을 차지한다는 결과에 도달한다.

흥미롭게도 현재의 정책을 사용하더라도 태양광이 모든 가능성에서 이 수준에 도달하는 것을 확인했다는 것인데, 균등화발전단가(LCOE) 측면에서도 태양광이 2030년까지 글로벌 가장 저렴한 에너지원이 될 것으로 분석된다. 2020년 같은 기관이 발표한 결과에서 가장 낮은 LCOE를 보인 풍력을 태양광이 대체한다(글로벌 70개 지역)는 대반전이 발생한다는 것이다. △안정적인 전력망 구축 △개발도상국 자금 조달 △자원 공급망 △정치적 저항 등 현재의 4가지 장벽으로 약간의 혼란이 발생할 수는 있으나 결국 세계는 태양광으로 수렴될 것이라 강조하고 있다.
 

#2. IEA-PVPS, 2023 태양광발전 동향 보고서… 2022년 태양광 밸류체인 중국 독점 심화

2022년 국가별 태양광 시장 규모 점유율(좌), 누적설치용량 점유율(우) [자료=IEA PVPS) 2023. 10.]

2022년 밸류체인별 국가 점유율 - ① 폴리실리콘, ② 웨이퍼, ③ 태양전지, ④ 모듈 [자료=IEA PVPS, 2023. 10.]

IEA-PVPS(국제에너지기구-태양광발전시스템프로그램)의 최신보고서 ‘2023 태양광발전 동향 보고서(Trends in Photovoltaic Applications 2023)’에 따르면, 2022년 글로벌 태양광 비즈니스 가치는 2,300억달러였다. 연간 태양광 신규설치용량은 약 240GW로 최초 200GW를 돌파했는데, 이를 주도한 중국이 단일 국가 최초 신규설치용량 100GW 초과라는 마일스톤을 기록했다. 뒤를 이어 유럽, 미국, 인도, 브라질 순으로 상위 5위를 형성했다. 24개국이 연간 신규설치용량 1GW를 초과했고, 누적설치용량이 1GW를 초과한 국가도 44개국에 이른다.

이를 바탕으로 글로벌 태양광 누적설치용량은 2022년 말 기준 1.2TW에 도달했고 글로벌 전력수요의 6.2%를 태양광이 공급했다. 누적설치용량도 중국이 400GW에 근접하며 글로벌 점유율 35%를 차지했다. 대한민국은 누적설치용량 글로벌 9위, 태양광 비즈니스 가치는 10위를 기록했다.

2022년 태양전지와 모듈 생산 및 출하량 기업 순위, 2022년 국가별 태양광 비즈니스 가치 순위 [자료=IEA PVPS, 2023. 10.]

시장에서는 결정질 실리콘 태양광 모듈이 점유율 97.5%로 전년대비 1.7%p 상승하며 시장장악력을 더욱 굳건히 했다. 단결정 실리콘 태양광 모듈이 94.6%로 6.6%p 상승하며 다결정 실리콘 태양광 모듈이 자취를 감추고 있다.

결정질 실리콘 태양광 기술의 밸류체인에 대한 중국의 독점은 더욱 강화됐다. 중국의 폴리실리콘 점유율은 85%로 6%p 증가했고, 잉곳·웨이퍼 점유율은 97%를 유지하며 글로벌 독과점을 형성하고 있다. 태양전지와 모듈도 각각의 점유율이 78%와 84%로 3%p씩 향상됐다.
 

#3. 론지솔라, 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 세계 최고효율 ‘33.9%’ 달성

차세대 태양전지 세계최고 효율 변화 [자료=NREL, 2023. 11.]

중국 론지솔라(LONGi Soalr)가 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 초기효율 33.9%(면적 이상 1cm²)를 미국 NREL에서 검증받으면서 세계최고 효율에 등극했다. 지난 6월 인터솔라-유럽에서 33.5% 달성을 발표하면서 사우디아라비아 KAUST의 33.7%에 이어 NREL 차트에서 2위에 머물렀다가 5개월 만에 1위로 등극하는 저력을 보여줬다. 이로써 페로브스카이트-결정질 실리콘 태양전지는 최근 2년간 효율이 4.1%p 향상되는 차세대 퀀텀 점프를 이어나가고 있다.

한편, 중국 진코솔라(Jinko Solar)는 하부셀에 n형 HJT 태양전지를 적용한 론지솔라와 달리 n형 TOPCon 태양전지를 적용해 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 초기효율 32.3%를 달성했다고 발표했다. 중국과학원(CAS)에서 효율을 측정한 결과라는 주장이다. 더욱이 M10(182mm) 웨이퍼 면적에서 n형 TOPCon 태양전지 세계 최고효율인 26.9%를 중국 NPVM에서 검증받았고, 이를 기반으로 대면적(> 2m²) 모듈효율 24.8%를 TUV SUD에서 검증받았다고 주장하고 있다.

프랑스 Armor Group은 프랑스 태양광 모듈 제조업체인 HoloSolis 지분 20%를 인수했다고 발표했는데, 이는 독일 키칭엔(Kitzingen)에 소유했던 유기 태양광(OPV) 모듈 제조업체인 Asca를 대규모 적자 누적 이유로 매각하고 차세대 탠덤 태양광 양산에 도전한다는 의미다. HoloSolis는 2025년 프랑스 함바흐(Hambach)에 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 및 모듈 공장을 완공해서 2027년부터 총 5GW의 생산용량을 가동할 목표를 갖고 있다. 최근에 미국 태양광 금속 페이스트 제조업체인 헤라우스(Heraeus)도 HoloSolis의 지분을 인수했다고 발표했다. 독일 프라운호퍼(Fraunhofer ISE) 연구소에서는 기술개발 지원에 참여한다.
 

#4. n형 TOPCon 모듈 장기신뢰성 논란 팩트 체크… G2B의 경우 BOM 설계 중요

n형 TOPCon 모듈의 장기신뢰성에 관한 최근 논란 [자료=TaiyangNews, Solyco, 2023. 10.]

Taiyang News에서 신뢰성 있는 태양광 모듈 디자인 컨퍼런스(Virtual Conference on Reliable PV Module Design)를 화상으로 개최했다. 최근 불거진 n형 단결정 TOPCon 모듈에 대한 고온 다습 지역에서의 안정성 논란에 대해 다뤄 주목을 받았다.

Solyco는 기조발표를 통해 n형 TOPCon G2G(Glass-to-Glass) 모듈과 G2B(Glass-to-Backsheet) 모듈에 대한 고온·고습 시험(온도 85℃, 상대습도 85%의 조건에서 1,000시간 보관 후 출력감소 5% 미만 시 합격) 분석결과를 발표했다.

Solyco의 n형 TOPCon G2B 모듈의 출력 저하 원인 분석 [자료=TaiyangNews, Solyco, 2023. 10.]

폴리올레핀(POE) 혹은 공압출 EPE(EVA-POE-EVE) 다층 봉지재(Encapsulant)를 주로 사용하는 G2G 모듈의 경우에는 제조사에 상관없이 1,000시간 고온·고습 시험은 물론 3,000시간 시험 후에도 기존의 p형 PERC 모듈과 대등한 안정성을 보여준다.

그러나 일부 G2B 모듈의 경우에는 1,000시간 고온·고습 시험 후 심각한 출력 저하를 보여준다. 물론 G2B 모듈 중에서도 3,000시간 시험 후에도 출력이 3%만 감소하는 제품도 있다. 이 결과로부터 G2B TOPCon 모듈이 모두 문제인 것은 아니라는 것을 알 수 있다. 이에 따라 G2B TOPCon 모듈을 제조할 경우에는 백시트 및 봉지재 소재 선택에 신중해야 한다. 출력 저하가 심한 G2B 모듈들의 태양광 파라미터 변화를 살펴보면 고온·고습 시험 후 개방전압(Voc)은 거의 변화가 없으나 단락전류(Isc)의 일부 감소와 충진율(FF)의 심각한 감소를 확인할 수 있다.

변함없는 개방전압으로부터 태양전지 전·후면 패시베이션(Passivation)에는 문제가 없는 것으로 판단된다. 단락전류와 충진율의 감소로부터 직렬저항(Series Resistance)의 증가를 초래하는 태양전지 금속전극에서의 국부 손실이 추정된다. 결론적으로 Ag/Al 전면전극 중 Al 전극의 부식이 주요 원인으로 지목된다.

JA솔라의 n형 TOPCon G2B 모듈의 출력 저하 원인 분석 [자료=TaiyangNews, JA솔라, 2023. 10.]

중국 JA솔라에서도 G2B TOPCon 모듈의 출력 저하 원인 분석 결과를 발표했다. 전계발광(EL) 이미지 분석 결과, 출력 저하된 태양전지 전면 Ag/Al 전극의 가장자리에 검은색의 암(Dark) 영역이 나타난다. 이는 수분이 침투된 모듈에서 EVA 봉지재가 가수분해로 생성된 산성(Acid) 성분이 Al 전극을 부식시킬 때 발견되는 EL 이미지와 유사하다. JA솔라도 G2B TOPCon 모듈의 수분 침투로 인한 태양전지 Ag/Al 전면전극의 부식을 출력 저하의 원인으로 지목했다.

한편, 중국의 론지솔라(LONGi Soalr)와 트리나솔라(Trina Solar)에서는 날로 격해지는 고온, 태풍, 혹한 등의 기상이변 속에서 모듈의 내구성을 확보하기 위해서는 모듈 수명주기 품질 디자인(End-of-Life quality design)이 필요하며 기존의 IEC 국제표준보다 강력한 시험이 필요하다고 주장했다. 그러면서 상온이 아닌 영하 40도와 같은 저온에서의 동적 기계적하중 시험 등과 같은 극한환경 시험 항목들을 제안하고 있다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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