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[In터뷰] 곽지혜 태양광연구단장, “탠덤 태양전지 기술 경쟁 치열… 개방형 혁신 필요”
태양광기업공동활용연구센터, 원천연구부터 상용화까지… 고부가가치 산업 육성 지원

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 제조업 기반의 국내 산업 경쟁력은 고부가가치 제품 개발에 그 방향성을 두고 있다. 태양광 제조 분야도 같은 맥락에서 살펴볼 수 있다. 우리나라의 햇빛 자원은 독일이나 일본보다 풍부하지만 60% 이상이 산지인 국토 현실을 고려해 고효율, 다기능 태양전지 개발 등 높은 품질의 제품 개발과 상용화에 역점을 두고 있다. 대표적으로 초고효율 이중접합 탠덤 태양전지와 다기능 태양전지 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

본지는 한국에너지기술연구원 곽지혜 태양광연구단장을 대전에 소재한 ‘태양광기업공동활용연구센터’에서 만나 국내외 태양전지 연구 방향과 국내 태양광 산업의 경쟁력 확보를 위한 의견 등 다양한 생각을 나눴다.

곽 단장은 “한계효율을 뛰어넘는 탠덤 태양전지를 개발·보급하면 설치 면적의 제약을 극복하고 기술적 잠재량을 크게 향상시킬 수 있다”며, “경량·다색·투광 등 다기능 태양전지의 개발은 설치 형태나 위치 제약을 극복해 수용성 및 부지확보 해결에 기여할 수 있다”고 말했다.

이어 “태양광연구단은 60여명의 인력이 협업해 현재 태양광 기술에 혁신을 더하고 있다”고 소개하며, “상용 실리콘 태양전지 기술을 근간으로 하는 초고효율 탠덤 태양전지와 차세대 실리콘 시장을 겨냥하는 박막 탠덤 태양전지 기술 연구에 집중하고 있다”고 설명했다.

한국에너지기술연구원 곽지혜 태양광연구단장 [사진=인더스트리뉴스]

최근 태양광 셀, 모듈 연구개발 동향은?

실리콘 태양전지는 현재 꾸준한 기술개발을 통한 효율 향상과 단가절감으로 세계 태양광 시장의 90% 이상을 점유 중이다. 70% 이상의 시장점유율로 선두를 달리는 PERC 셀 기술은 향후 10년 내에 점유율이 크게 감소하고 N타입 TOPCon과 HJT 기술이 시장을 주도할 것으로 예상된다.

이들을 하부셀 근간으로 하는 탠덤 태양전지 기술개발도 경쟁이 치열하다. TOPCon 기술은 상대적으로 높은 초기 투자 없이도 고효율화를 도모할 수 있어 2022년 약 10%에서 2033년 60%까지 시장점유율을 높여 주류가 될 것으로 보인다. 한화솔루션 큐셀부문(한화큐셀)은 지난 2월 5일 국내기업 최초로 탑콘 제품을 한국과 유럽에서 동시 출시한다고 밝혔다.

HJT는 호환되지 않는 생산라인과 높은 생산비용으로 상대적으로 양산성이 낮지만 고효율에 대한 기대로 2023년 약 9% 점유율이 향후 10년 내 25% 이상으로 늘어날 전망이다. 지난해 말 27.09%의 변환효율 달성으로 LONGi가 갱신한 최고 효율도 이종접합 후면전극(HBC) 기술로 세운 것이다. 국내에서는 현대에너지솔루션이 2026년 양산을 목표로 HJT 기술개발에 뛰어들었다. TOPCon과 HJT는 그 자체로 고급 실리콘 상용 셀 기술이지만 초고효율 탠덤 태양전지 선두그룹들이 활용하는 필연적인 하부셀 구조이기에 글로벌 기업들이 주목하고 있다.

상용 태양전지 효율이 이론한계인 29.4%에 근접함에 따라 동일 면적에서 단일 접합 한계를 뛰어넘어 고출력을 낼 수 있는 ‘탠덤’ 태양전지 혁신기술의 필요성이 대두됐다. 탠덤은 전혀 새로운 개념의 기술은 아니지만, 비용편익적 탄소중립 기여를 위해 저가 소재·공정의 탠덤 태양전지 연구개발과 조기 상용화가 절실한 상황이다.

페로브스카이트 소자는 단기간 고효율 달성으로 학계에서 급부상했으나, 실리콘의 대체를 의미하지는 않는다. 두 소재를 이중접합 탠덤소자로 접목하면 단일접합으로는 불가능한 44% 이론효율을 가지므로 실리콘 기술이 주류인 산업계에서도 주목한 것이다. 우리나라는 원천기술뿐 아니라 글로벌 시장에서 인정받는 태양광 기업들을 보유하고 있어 경쟁력이 있다.

대전시 유성구에 소재한 태양광기업공동활용연구센터 전경 [사진=태양광기업공동활용연구센터]

탠덤 등 글로벌 태양광 셀 기술개발 협력 내용과 기대할 수 있는 바는?

차세대 셀 기술개발 협력은 크게 고효율화와 측정 분야에서 기대가 크다. 후자를 먼저 살펴보면, 태양전지 셀 기술개발에서 가장 중요한 분석이 변환효율 측정이다. 태양전지 성능과 가격을 결정하는 셀의 성능지표는 IEC 규격을 따르는데 세밀하고 정확한 측정은 높은 난이도를 요구한다. 국내에도 고가의 측정 장비를 보유하고 사용 중인 기관이 여럿이지만 신뢰성 있는 측정결과를 바탕으로 국제적 인정을 받는 것은 다른 차원이다.

에너지연은 국제 수준에 부합하는 태양전지 소자 전류-전압(IV) 특성곡선 측정 표준(KS C IEC 60904-1:2009, 효율 측정)과 태양전지 스펙트럼 응답도 측정 표준(KS C IEC 60904-8:2015, 태양광 파장별 응답성 측정)에 대해 2020년 KOLAS 공인시험기관 자격을 획득했다. 에너지연이 획득한 태양전지 셀에 대한 평가기술은 국내 최초이자 유일하다. 10여년 전 미국·독일·일본 등 선진국과 대등한 수준으로 확보한 ‘1차 기준 태양전지 교정기술’을 근간으로 꾸준히 연구에 매진해 이뤄낸 것이다.

이는 국제적으로 신뢰성 있는 태양전지 소자 효율 측정이 국내에서도 가능해졌음을 의미한다. 현재 차세대 태양전지의 경우 국제적 인정을 위해서는 독일의 프라운호퍼(Fraunhofer)연구소나 미국의 재생에너지연구소(NREL) 등 소수의 해외 선도기관들에서 측정평가가 이뤄지는데, 에너지연은 태양전지 소자 측정 분야에서 해외의 선도 시험기관들과 대등한 조건으로 상호 비교시험을 수행할 수 있는 국내 유일의 기관인 것이다.

페로브스카이트 태양전지나 양면수광형 태양전지 등 기존 상용 태양전지와 다른 특성을 갖는 새로운 형태의 소자에 대한 측정도 상용 셀에 대한 고도의 측정 기술 없이는 신뢰성을 담보할 수 없다. 우리가 탠덤 태양전지 셀과 모듈을 개발하더라도 그 우수성을 해외에 의존해 입증해야 한다면 곤란하다.

에너지연은 획득한 국내 유일의 성과를 발판으로 아직 국제공인 표준이 없는 탠덤 태양전지 계측 영역의 신뢰성 및 국제표준화도 선점한다는 포부를 갖고 있다. 에너지연은 ‘차세대 페로브스카이트/결정질 실리콘 탠덤 태양전지 효율측정 기술 국산화 개발’ 과제 수행 등을 통해 탠덤 태양전지에 대한 측정 및 평가기술 구현에 주력해 왔다. 이를 위해 탠덤 변환효율 30% 이상을 최초로 구현한 스위스 CSEM과 협업해 왔으며, 고도의 측정기술을 보유한 미국 NREL과 교차비교 연구도 수행 중이다.

최근 에너지연은 탠덤 태양전지 상부셀로 적용 가능한 반투명 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율을 개선하고 이를 국내 최초로 양면수광형 탠덤 태양전지에 적용해 4단자형 31.5%, 2단자형 26.4%의 높은 기대효율을 달성했는데, HJT 기술개발에 주력하는 독일 율리히연구소와 협업한 결과다. 또한, 지난 10여년 간 독일 HZB와 인력교류, 논문 공동게재 등을 통해 파트너십을 축적해 왔으며, 지난해 EU ‘호라이즌 유럽’ 프로그램 중 유연 탠덤 태양전지 기술선도를 위한 컨소시엄에 공식 선정돼 지난 1월 착수 회의를 개최하고 3년간 글로벌 협력연구로 성과 창출을 도모하고 있다.

해당 기술들은 모두 국가 탄소중립 기술혁신 로드맵에 연계해 개발 중이며 산학연 융합이 필요한 분야이다. 국내 연구진들과도 협업해 고효율 탠덤 태양전지 혁신기술 개발로 국가 산업경쟁력 강화에 크게 기여할 수 있도록 총력을 다하고 있다.

태양광기업공동활용연구센터 내부 [사진=인더스트리뉴스]

관련 기술개발과 협력이 중국이 주도하는 태양광 산업의 판도에 어떠한 변화를 줄 수 있나?

특정 산업의 가치사슬 전반이 한 국가 독과점에 종속되는 것은 매우 위험한 일이다. 2023년 글로벌 재생에너지 신규설치용량은 507GW로 추정되고 있으며, 올해 1.1TW에 도달할 전망이다. 중국이 가치사슬별로 80~95%의 독점적인 점유율을 유지할 것으로 내다보고 있다.

세계 주요국은 중국 독과점 견제에 나서고 있다. COP28과 G7 회의 등에서 재생에너지 대폭 확대 합의로 속도전을 전망케 하면서도 견제 장치로 △화석연료산업에 대한 보조금 중단 △석탄발전의 단계적 퇴출 △환경·인권보호 위한 에너지공급망 분산 등을 제시했다.

미국 인플레이션감축법(IRA)과 EU의 ‘Fit-for-55’ 정책 및 ‘RePowerEU’ 계획 등은 자국 산업 보호와 재생에너지 확보를 통한 에너지 안보 기여 의지가 담긴 대표적 사례다. 인도 또한 향후 자급자족 공급망 구축으로 3년 이내에 중국과 제조업 경쟁이 가능하도록 태양광 산업에 전략적으로 지원하고 있다.

중국의 시장 독점이 우려되는 기술이 태양광뿐일까. 국가 간 전략적 협력을 통한 관련 기술개발은 우리나라뿐 아니라 전 세계가 우려하는 중국의 독과점을 견제하고, 다양한 시장 개척으로 중국의 시장 지배력을 분산할 수 있는 방법이다. 여러 국가들의 협력으로 국제적인 표준을 제정·인정한다면, 시장의 불균형을 개선하고 기업들의 공정 경쟁에도 기여할 수 있다.

중국은 태양광 산업에 대규모로 투자하고 있어 단순한 협력은 즉각적 시장 변화를 기대하기 어렵다. 이에 장기적인 전략과 공동연구개발 및 시장진출에 대한 협력 강화, 지속적 기술혁신 노력, 국내 산업 보호 및 혁신에 대한 지원과 투자로 글로벌 시장 경쟁력 확보에 노력해야 한다.

국내 태양광 산업이 많이 위축돼 있는데 경쟁력 강화 및 활성화를 위한 의견이 있다면?

범부처 ‘탄소중립 기술혁신 추진전략’은 태양광 관련 이슈로 중국 저가·독점 공세 및 상용기술 한계, 입지 다변화 요구 증대, 도시 등 응용분야 확대 필요성 증가 등을 이미 명시하고 있다. 고성능 탠덤 등 상용기술을 대체할 차세대 고효율 기술 개발과 적기 상용화, 수해상 시스템 설치·운영 효율화 및 경제성 확보, 초경량 도시형 태양광 기술개발 추진 등을 핵심기술 개발방향으로 제시하기도 했다.

올바른 방향을 설정했지만 실천이 중요하다. 재생에너지의 간헐성 이슈 등 여러 난제로 국내 태양광 보급이 주춤한 가운데, 국가 12대 전략기술이나 40대 초격차 기술 분류에도 빠져있어 국내 태양광 산업이 큰 어려움을 겪고 있다.

국제적 흐름이 에너지 전환을 중심으로 빠르게 재편 중이다. RE100이 민간 이니셔티브임에도 국가 경제에 영향을 미치는 시급 사안이 된 이유다. 글로벌 가치사슬 경쟁이 첨예한 가운데 국산화율이 저조하면 또 다른 의미의 공급 불안요소를 갖게 된다. 태양광의 경우, 반도체와 같이 전략산업화 해 소부장 산업 강화에도 주력할 필요가 있다. 내수시장의 꾸준한 확보는 태양광을 국가 전략사업으로 육성하는 토대가 될 뿐만 아니라, 탄소국경세 및 RE100 등 국제적 이슈에 대응할 수 있는 필수 전략이다.

국산제품 방어체계 구축도 필요하므로 세계 최고 수준의 태양광 셀·모듈 기술을 보유한 국내 기업의 경쟁력 유지 및 산업생태계 조성을 위해 국가적 정책지원도 필요하다. 원천기술을 조기에 고부가가치화해 세계 시장에서도 기술로 새로운 기회를 창출해야 한다. 태양광은 지정학적 요소보다는 기술로 경쟁력이 결정되는 에너지원이다. 더 늦기 전에 체계적인 시장 확대와 혁신기술 개발을 통해 진정한 에너지 안보가 이뤄질 수 있도록 투자가 이어져야 한다.

곽지혜 태양광연구단장은 “태양광기업공동활용연구센터는 독일 프라운호퍼처럼 원천연구가 상용화까지 이어져 차세대 고부가가치 기술이 시의성 있게 꽃피우고 국가산업을 견인할 수 있도록 지원할 것”이라고 말했다. [사진=인더스트리뉴스]

‘태양광기업공동활용연구센터’ 소개와 운영 사항은?

센터는 태양광 산업 분야의 여러 이슈 해결을 위한 국가 산업적 정책 방향을 고민하고 기업의 니즈를 최대한 반영해 기획·구축됐다. 독일의 프라운호퍼연구소 등 선진기관들처럼 원천연구가 상용화까지 이어져 차세대 고부가가치 기술이 시의성 있게 꽃피우고 국가산업을 견인할 수 있도록 산·학·연 역량 결집을 고민한 결과다.

센터는 국내 기업의 경쟁력 강화를 위해 태양광 셀·모듈 제조기업 및 관련 산업 전문가들이 혁신적 연구를 수행할 수 있도록 오픈이노베이션 플랫폼을 추구한다. 우리 기업들이 연구·개발한 제품의 공정 및 성능을 양산 전 단계에서 검증하고 국가 차원의 공동 플랫폼 기반 연구를 통해 초격차 기술을 개발하고자 하는 것이다. 급증하는 글로벌 태양광 시장 수요를 통해 국내 기업의 수출에 기여할 수 있도록 국산 개발 장비의 데모 플랫폼으로도 활용한다.

지난해 준공과 인허가를 마치고 센터 구축 취지에 맞게 설치된 개발 장비와 기술들을 검증 중에 있다. 태양광 산업의 경쟁력 및 공급망 확보를 위한 양산성 검증이다. 검증을 완료하면 정식으로 개소하고 원활한 운영 및 효율적 활용을 도모하고자 한다.

태양광 산업의 어려움을 고려할 때, 현명한 운영방안을 도출하려면 산·학·연 여러 전문가 및 민관 협력이 절실하다. 기획단계부터 기업협의체가 구성돼 있어 함께 머리를 맞대고 있다. 국내 기업 간 경쟁이 아닌 ‘개방형 혁신’을 통해 세계 시장에서의 경쟁력 확보 전략을 도출하고, 집적 인프라의 효율적 운영으로 국가 태양광 R&D의 효율성 증대 및 시장진입 가능성을 제고할 계획이다.

탠덤 태양전지 기술은 유럽, 중국뿐 아니라 산유국인 사우디아라비아조차 경쟁이 치열한 분야이다. 인도, 싱가포르, 미국 등도 대규모 기술투자를 통해 내재화를 시도 중이다. ‘국가전략기술’ 지정을 통한 효율적인 집중 투자지원이 필요하기 때문에, 정부가 센터를 플래그십 프로젝트의 기반 인프라로 활용하는 것이 최선이다. 미래 기술 대응뿐 아니라 장비, 신소재 및 공정 검증까지 가능해 현재 상용 태양전지의 최대 점유율을 갖는 PERC 구조 태양전지와 향후 10년간 시장을 주도할 TOPCon 및 HJT 공급망 기술 확보의 구심점이 될 수 있다.

태양광연구단의 올해 중점 추진 사업 계획과 목표는?

태양광기업공동활용연구센터에 구축한 모듈 장비는 한화 모멘텀부문이 개발한 국내 최대 크기의 모듈(M12)에 대응 가능한 100MW 규모의 파일럿 라인으로 PERC, TOPCon, HJT 구조 및 양면수광형 등 다양한 셀 구조와 크기에 대응 가능하다.

G2B, G2G, Multi BB, Gapless, Half-cut, Third-cut 등 다양한 모듈 규격에도 대응 가능한데, 이를 활용해 상용 PERC 태양전지로 660W 이상의 고출력 모듈을 제조해 개발 장비의 양산성을 검증했다. 이는 국산장비를 활용하여 달성한 최고 출력이다.

센터는 국내 기업들의 현안 대응뿐만 아니라, 국가 탄소중립기술개발 로드맵에 따라 국가 경쟁력 확보, 산업 육성 및 일자리 창출, 글로벌 협력 및 전문인력 양성, 지속가능성 및 온실가스 감축 등에 기여하고자 센터 고유의 기술개발 로드맵 및 기능에 대한 청사진을 갖고 있다.

올해는 특히, PERC, TOPCon, HJT 태양전지별로 각각 M10, M10, M6 크기 웨이퍼로 23~25%의 고효율을 달성해야 한다. 장비 기업뿐만 아니라 태양전지 및 모듈 기술을 보유한 국내 유수 기업 및 소재개발 회사 등이 산학연 협력을 통한 신기술 경쟁력 확보를 위해 함께 노력하고 있으므로 각 기술 목표 달성을 통해 센터가 국가 산업경쟁력을 견인하는 ‘오픈이노베이션 플랫폼’으로 정착할 수 있도록 최선을 다하고자 한다.

태양광연구단이 중점으로 연구 중인 초고효율 탠덤 태양전지로 30% 이상의 고효율을 달성하는 것도 역점 사업이다. ‘차세대 탠덤 상부셀용 건식공정과 소재를 적용한 MW급 장비 개발’ 과제가 한화 주관으로 지난해 말 착수돼 개발 후 센터에서 활용될 예정이므로 시너지가 클 것으로 기대한다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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