[한국에너지기술평가원 명승엽 PD] 독일 프라운호퍼 ISE 연구소와 옥스퍼드 PV가 대면적 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 모듈을 제작하면서 탠덤 모듈 개발 경쟁에 불을 지피고 있다. 국내에서는 산업부와 에기평이 체계적인 정부과제를 기획해 탠덤 태양전지 및 모듈 조기 상용화에 힘쓰고 있다. 향후 CAST 등의 기관을 활용해 모듈 측정 기술확보에도 나설 전망이다.

최초의 상용모듈 면적 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 모듈 [사진=Taiyang News, 2024. 1.]

#1. 프라운호퍼와 옥스퍼드서 25% 대면적 페로브스카이트-결정질 실리콘 모듈 개발… 경쟁 본격화

독일 프라운호퍼(Fraunhofer) ISE 연구소가 독일 옥스퍼드 PV(Oxford PV)의 초기효율 26.8% M6(162mm) 크기 탠덤 태양전지를 적용해 최초의 상용모듈 면적(1.68m²) 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 모듈을 제작했다고 발표했다.

60개의 태양전지를 직렬연결해 초기효율 25%에 해당하는 초기출력 421W 달성을 주장했다. 고온 저항성이 낮은 페로브스카이트의 특성을 고려해 태양전지간 직렬연결(Interconnection)은 프라운호퍼 모듈 기술 평가 센터(Module-TEC)에서 전도성 접착 장비를 활용하여 구현했다. 향후에는 저온 납땜 기술 적용도 고려 중이라고 한다. 모듈 효율 측정은 프라운호퍼 ISE 연구소에 구축된 LED 조명을 적용한 탠덤 모듈용 태양광 시뮬레이터로 측정했다. 향후 옥외 측정을 통해 정확도 검증을 실시할 예정이라고 한다.

Fraunhofer ISE에 설치된 탠덤 모듈용 태양광 시뮬레이터(좌측 위) [사진=Taiyang News, 2023. 5.], 탠덤 태양전지 및 모듈 R&D 제조플랫폼(우측 위) [사진=Taiyang News, 2023. 6.], 탠덤 태양전지 측정용 LED 기반 태양광 시뮬레이터(좌측 아래) [사진=Wavelabs], Wavelabs가 출시한 탠덤 모듈용 태양광 시뮬레이터(우측 아래) [사진=Taiyang News, 2023. 6.]

독일 정부의 지원으로 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 효율 측정 고도화와 상용화를 대비한 대면적 탠덤 모듈의 효율 측정 기술개발을 진행 중이다. 대표적으로는 독일연방경제기후부(BMWK)의 지원으로 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양광 모듈의 효율을 안정적으로 측정하기 위한 목적으로 프라운호퍼 ISE가 주도하고 옥스퍼드 PV도 참여하는 칸타나(Katana) 프로젝트가 있다.

이 프로젝틀를 통해 독일 Wavelabs Solar Metrology Systems에서 개발한 탠덤용 태양광 시뮬레이터를 프라운호퍼 ISE의 CalLab PV Module 센터에 설치했다. 5×5mm 소형 태양전지부터 2.4×1.3m 모듈 측정을 위해 1만8,400개의 LED 램프로 구성된 40개의 광원에 분산된 28개의 서로 다른 스펙트럼 조정 가능한 광 채널 덕분에 파장 320~1,650nm의 광대역 측정이 가능하다.

Wavelabs Solar Metrology Systems은 탠덤 태양전지 및 모듈 측정용 태양광 시뮬레이터 제품을 출시하기도 했다. 2022년 11월, Wavelabs가 발표한 백서 <Measurement Challenges for Perovskite/Silicon Tandem(PST) Solar Cells>에서 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지의 정확한 특성화를 위한 요구사항 및 솔루션을 정의하고, LED 기반 플래셔(Flasher) 기술이 간단하고 정확하며 효율적일 뿐만 아니라 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지의 양산라인에서 사용 가능한 신속 정확한 측정 방식이라고 주장했다.

단위셀 별 응답속도 차이, 전류정합 등의 측정 난제를 해결하기 위해서 기존 태양전지 측정에 사용하던 제논(Xenon) 램프 기반 플래셔 기술과 달리 전면과 후면 모두에 펄스광으로 태양전지를 측정하는 방식을 권장했다. 이는 모놀리식 2단자(2T) 태양전지를 비롯해 3단자(3T) 및 4단자(4T) 태양전지 모두 해당된다. 양산라인에서 정확하고 확장 가능한 태양전지 측정을 위해 스펙트럼 일치의 유연성과 시간적 안정성을 제공하는 LED 기반 태양전지 플래셔 방식을 선택했다.

Wavelabs는 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양광 모듈 효율 측정용 태양광 시뮬레이터를 뮌헨 ‘인터솔라 2023’에서 공개했다. SINUS-3000 ADVANCED는 개별적으로 제어 가능한 26개의 LED 채널이 있는 최대 45개의 LED 모듈을 수용해 스펙트럼, 조명 시간 및 광도를 선택할 수 있는 유연성을 제공한다.

탠덤 태양전지의 세계최고 효율 변화(위), 2T 및 4T 탠덤 기술 비교(아래) [사진=Taiyang News, Futurasun, 2023. 12.]

한편, 2023년 6월, 프라운호퍼 ISE 연구소에서는 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양광 기술의 상용화를 목표로 2024년말까지 건식공정(진공공정) 기반의 태양전지 및 모듈 공정라인을 구축한다고 발표했다.

BMWK의 지원을 받는 Pero-Si-SCALE 프로젝트는 차세대 태양전지 및 모듈의 최단 시간 시장 출시를 위한 독립적인 기술 플랫폼 구현을 목표로 한다. 대면적 결정질 실리콘 하부셀 위에 페로브스카이트 상부셀의 증착을 위해 습식 화학 코팅보다는 건식기반의 진공증발법(Vacuum Evaporation)에 더욱 집중한다. 페로브스카이트 재료 및 전하수송층의 증착을 위해서는 산업적으로 실행 가능한 진공증발 장비를 LiverPool 프로젝트로 개발 중이다. 모듈 라인에는 차세대 산업용 접착 스트링거와 품질관리를 위한 발광(Luminescence) 검사 시스템을 장착한다.

최근 초기효율 33.9%까지 진전된 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 연구는 이제 M6 크기 이상의 대면적 태양전지 개발과 더불어 대면적 모듈 개발로 확장하려는 움직임을 보이고 있다.

중국, 독일, 프랑스, 이탈리아, 미국 등을 중심으로 대면적 태양광 모듈 양산을 위해 모놀리식 2T 태양전지 구조가 많은 관심을 받고 투자가 발표되고 있으며, 모듈 기반의 탠덤 구조인 4T 태양광 모듈 개발도 일부 추진되고 있다.

70년간의 기술개발을 통해 결정질 실리콘 태양전지의 효율이 이론적 한계효율에 다다르자, 모든 결정질 실리콘 태양전지 및 모듈 개발 회사들은 기술개발 로드맵에 페로브스카이트-결정질 실리콘 탠덤 태양전지 개발을 포함하고 있는 상황이다.

국내에서는 산업부와 한국에너지기술평가원이 체계적인 정부과제를 기획해 탠덤 태양전지 및 모듈 조기 상용화에 힘쓰고 있다. 2020년부터 지원한 정부과제를 한화솔루션이 주관하면서 대면적 탠덤 태양전지와 모듈을 개발하고 있다. 이를 기반으로 자체적으로 1,365억원을 투자해 충북 진천에 40MW 탠덤 태양전지 및 모듈 파일럿 라인을 올해 내에 완공할 예정이다. 2023년에 공고한 건식공정 기반 탠덤 태양광 상부셀용 MW급 공동연구 장비개발 및 구축 과제는 한화모멘텀이 주관기관으로 선정돼 진행 중이다.

개발된 장비는 한국에너지기술평가원이 2020년 기반구축 과제로 공고해 대전 신동에 완공한 태양광기업공동활용연구센터(CAST)에 R&D 제조플랫폼으로 구축될 예정이다. 2024년에는 건식공정 기반 탠덤 태양광 상부 셀용 핵심소재 국산화 과제가 공고 중이다. 한국에너지기술연구원(KIER)과 한국산업기술시험원(KTL)이 수행했던 대면적 탠덤 태양전지 측정 기술개발은 2023년에 종료됐는데, 미국 NREL과 교차검증을 완료해 CAST에서 국내 측정 서비스를 진행하고 있는 상태다. 향후에는 모듈 측정 기술확보에도 지원할 계획이다.

탠덤 태양광 모듈 개발 및 투자 발표현황 [자료=에너지기술평가원]

#2. 2020년 정점 이후 국내 태양광 신규설치용량 감소… 향후 2.0~2.5GW 수요 정체 전망

BNEF의 최신 보고에서는 2023년 글로벌 태양광 신규설치용량이 444GW로 추정된다고 발표하고 2024년 574GW, 2025년 627GW, 2030년 880GW에 도달할 수 있다고 점진적 증가 전망을 밝혔다. 반면, 우드맥킨지(WoodMac)에서는 2024년부터 태양광 산업은 고성장 산업에서 느리게 성장하는 성숙한 산업으로 전환될 것이라고 예측했다. 지난 10년 동안의 급속한 성장 추세를 거스르며 향후 8년 동안 연평균 성장률이 정체돼 매년 350GW 수준의 글로벌 신규설치용량을 전망했다. 어쨌든 2024년 글로벌 공급과잉 심화와 계통포화 문제로 태양광 제조업 가동률은 둔화되고, 치열한 글로벌 제조기업간 경쟁 속에 기술혁신이 요구되는 상황이다.

한국수출입은행에서 최근 발표한 2023년 하반기 태양광산업 동향 보고에 따르면, 국내 태양광 설치용량은 2020년 5.5GW를 정점으로 점차 감소하고 있으며 향후 2.0~2.5GW 수준에서 수요가 정체될 전망이다. 이는 △2030년 신재생에너지 비중 21.6%로 하향 조정 △소규모 태양광 계통 무제한 접속제도 폐지 △경매제도 도입 △전력도매가격(SMP) 상한제 등 정부 정책 변경에 따른 것으로 분석된다.

자료 왼쪽 위부터 연도별 국내 태양광 신규설치용량 현황 및 전망(좌측 위, 단위: MW), 연도별 국내 태양광 수출입 동향(우측 위, 단위: 백만불) [자료=한국수출입은행, 2023년 하반기 태양광산업 동향, 2024. 2.], 연도별 국산 태양전지 점유율(좌측 아래) 및 모듈 점유율(우측 아래) 변화 [자료=한국에너지공단, 2023]

다만 글로벌 공급망에서 RE100 이슈가 부상함에 따라 국내 제조기업들의 태양광 수요는 크게 증가할 것으로 예상된다. 국내 기업들의 RE100용 태양광 수요는 국내 태양광 수요의 큰 축을 담당할 것으로 예상되지만, 국내 태양광 시장 확대를 위해선 글로벌 수준으로 태양광 프로젝트 건설 및 운영 비용 절감할 필요가 있다는 숙제도 제시하고 있다. 국내 태양광발전은 그리드 패러티에 도달하지 못한 상황으로 보조금에 의존한 성장은 한계가 존재한다고 지적하고 있다. 사업용 태양광 신규 보급용량이 2021년 3.5GW에서 2022년 2.8GW로 18.4% 감소한 점에서 국내 태양광 투자액이 감소한 것을 알 수 있다.

국내 태양광 기업들은 내수시장의 위축과 수출 감소라는 이중고를 겪고 있다. 2023년 태양전지 및 모듈 수출액은 2022년 대비 35.3% 감소한 10억달러에 머물렀다. 미국의 인플레이션 감축법(IRA) 시행에 따른 미국 현지 생산 증가와 유럽지역 수출 감소로 큰 폭으로 감소했다.

미국 수출은 9.6억달러로 전체 수출액의 96%를 차지했으니 미국이 유일한 한국산 모듈의 판로였다고 할 수 있다. 2023년 태양전지 및 모듈 수입액은 전년대비 34.8% 증가한 3.6억달러였다. 웨이퍼 수입액이 전년대비 41.1% 감소한 3.3억달러라는 점을 참고하면, 국내에서 태양전지 생산이 감소하고 수입이 늘었다는 것을 알 수 있다. 이는 모듈 가격이 급락하면서 국내에서의 태양전지 및 모듈 생산의 경제성이 악화됐다는 것을 보여준다. 국산 및 중국산 모듈 가격 격차가 커짐에 따라 2024년 중국산 모듈 비중은 더욱 상승할 것으로 예상된다.

한국에너지공단의 2022년 신재생에너지 보급통계 확정치 발표가 늦어져 화제가 됐다. 2022년 국내 신재생에너지 발전량은 5만7,780GWh로 2021년 대비 14.% 증가했다. 총 발전량 대비 신재생에너지 비중은 9.2%였고, 국내 신재생에너지 발전량의 53.2%를 태양광이 차지했다. 2022년 국내 태양광 신규설치용량은 3.3GW로 2021년 3.9GW 대비 16.5% 감소했다. 이에 반해 풍력 신규설치용량은 0.2GW로 2021년 대비 200% 이상 증가했다. 2022년말 기준 국내 태양광 누적설비용량은 24.4GW로 72.2%의 비중을 차지했다. 반면에 풍력 누적설비용량은 1.9GW로 5.8%의 비중을 차지했다.

2022년 신재생에너지 신규설치용량(좌) 및 누적설비용량(우) [자료=한국에너지공단, 2023. 12.]

#3. 2023년 중국 모듈 수출실적 ‘208GW’ 역대급 기록… 올해 1분기 글로벌 수요 감소로 수출 제한 전망

PV인포링크(PV InfoLink)의 분석에 따르면, 2023년 중국산 모듈 수출은 208GW로 2022년 154.8GW 대비 34% 증가해 역대 최고치를 경신했다. 2023년 12월 수출은 16.2GW로 11월 17.7GW 대비 8.6% 감소했지만 2022년 12월 대비 50% 증가했다. 유럽 최대 90GW, 미국 최대 45GW의 재고 축적에도 불구하고 글로벌 시장은 4분기 중국산 모듈 수입을 3분기와 동일하거나 약간 낮은 수준으로 유지한 것이다.

중국의 최대 고객인 유럽은 2023년 101.5GW의 중국산 모듈을 수입해 2022년 86.6GW 대비 17% 증가했다. 분기별 수입량은 각각 29.5GW, 32.9GW, 22.9GW, 16.1GW를 기록했다. 재고가 급속하게 소진되고 있고 홍해 봉쇄 문제로 운임(+300%)과 운송기간(+10~15일)이 늘어나면서 태양광 설치 성수기를 대비한 모듈 확보 움직임이 포착되고 있다. 유럽의 2024년 1분기 수입은 2023년 4분기와 동일하게 유지되거나 소폭 감소할 전망이다.

아시아태평양 지역은 2023년 53.9GW의 중국산 모듈을 수입해 2022년 31.5GW 대비 71% 급증했다. 분기별 수입량은 각각 9.5GW, 9.1GW, 14.8GW, 20.5GW를 기록했다. 이 지역의 국가 중 인도가 14.5GW로 1위를 기록했는데, 2024년 4월 시행 예정이었던 ALMM(승인된 모델 및 모듈 제조업체 목록)에 대비한 모듈 사재기가 주요 원인으로 분석된다. ALMM은 인도 태양광 제조를 지원하는 것을 목표로 정부가 지원하는 태양광 프로젝트에 현지 생산 모듈만 허용하는 제도이다. 3월 31일 이전에 모듈 주문이 이뤄진 건설 단계의 프로젝트는 면제된다고 했다가 연기돼 그동안 중국산 모듈 수출은 급증할 것으로 보인다.

미주 지역은 2023년 30.2GW 중국산 모듈을 수입해 2022년 24.8GW 대비 22% 증가했다. 분기별 수입량은 각각 7.6GW, 6.7GW, 7.7GW, 8.1GW를 기록했다. 이 지역에서는 브라질이 20.6GW로 중국산 모듈 수입의 2/3를 차지했다. 법률14.300(Lei 14.300)이 분산형 태양광에 대한 수요를 증가시켰고 2024년 초부터 도입되는 9.6% 수입 관세를 대비해 설치가 급증한 덕분이다.

법률14.300에 따른 설치 기한이 만료됨에 따라 보급 프로젝트의 수요 약화가 1분기 브라질 수입에 영향을 미칠 것이다. 일부 모듈을 관세 면제 대상에서 제외하고 수입관세 9.6%를 부과함에도 불구하고 최근 낮은 모듈 가격과 경영위원회(Gecex)의 면세관세율 할당량으로 인해 전체 비용은 크게 증가하지 않을 것으로 예상된다. 향후 유틸리티 규모 태양광 시장의 움직임이 모듈 수입 모멘텀을 결정할 전망이다.

신흥시장인 중동과 아프리카에서도 중국산 모듈 수입이 증가했다. 중동 지역은 2023년 14.5GW의 중국산 모듈을 수입해 2022년 8.4GW 대비 73% 급증했다. 이 지역에서는 포스트 오일 시대를 준비하는 사우디아라비아가 7.7GW로 절반 이상을 차지했다. 아프리카 지역에서는 2023년 7.9GW의 중국산 모듈을 수입해 2022년 3.4GW 대비 무려 132% 증가했다. 남아프리카공화국이 5.3GW를 기록하며 중국산 모듈 수입을 주도했다.

2024년 1분기는 태양광 시장의 공급 과잉과 수요 둔화가 지속되면서 상대적으로 업종이 부진했다. 또한, 중국 제조업체들은 설 연휴 동안 생산량을 줄였다. 2월 생산량은 1월보다 최소 17% 낮아져 1분기 출하량에 영향을 미칠 것으로 보인다. 즉 전반적인 글로벌 수요 약화로 인해 1분기 중국 모듈 수입이 제한될 것으로 보인다. 분기별 중국산 모듈 수입량은 2023년 4분기 수준을 유지하거나 약간 감소할 수 있다. 2024년 상반기 수입물량은 2분기 성수기에 따라 달라지겠지만 전년 동기보다는 다소 부진할 전망이다.

한편, 중국태양광산업협회(CPIA)는 2023년 중국 태양광 신규설치용량을 전년대비 148% 증가한 217GW(AC)로 추정 발표했다. 중국국가에너지청(NEA)에 따르면, 2023년 중국 태양광 누적설치용량이 609GW를 기록하며 전년대비 55% 증가했다. 2023년 12월에만 무려 53GW의 신규설치용량이 발생한 것으로 분석된다. 2023년말 기준으로 중국의 총 발전설비용량은 2.9TW인데, 태양광과 풍력의 누적설치용량이 각각 609GW, 440GW(전년대비 +21%)로 누적설치용량 1TW를 이미 돌파했다.

#4. Maxeon, IBC 후면전극 상용모듈 24.1%로 1위 등극… Aiko, 25.2% ABC 후면전극 모듈 세계최고 효율 달성

싱가포르에 본사를 둔 미중 합작사 맥세온솔라(Maxeon Solar, 구 SunPower)에서 n형 IBC 후면전극 모듈 SunPower Maxeon 7 시리즈를 출시했다. 112개의 후면전극 태양전지로 구성된 정격출력은 435~445W(23.5~24.1%)로 주로 주택지붕용 모듈이다. 중국 에이코솔라(Aiko Solar)의 ABC 후면전극 상용모듈 효율 24.0%를 간발의 차인 24.1%로 역전하며 세계 최고 상용모듈의 위치를 탈환했다.

Maxeon Solar가 스페인에 설치한 24.1% 상용모듈(위) [자료=Taiyang News, 2024. 2.] NREL 모듈 효율 차트(아래) [자료=NREL, 2024. 2.]

아울러 NREL 모듈 효율 차트에서도 유효면적 1.78m²에서 24.9%의 효율을 검증받으며 1위에 등극했다. 음염조건에서 미세균열 및 열점(Hotspot)위험을 제거하는 독창적인 특허받은 설계를 적용했는데, 정션박스에 소형 다이오드를 사용해 태양전지 가열을 완화했다. 흰색 백시트와 검정색 프레임을 사용해 모듈을 구성했다. 주요 사양으로는 모듈 크기 1,787×1,035mm², 중량 20.7kg(11.2kg/m²), 온도계수 -0.27%/℃, 40년 출력보증(40년 초기출력 대비 88.25%)이다. 2023년 12월부터 스페인 주택에 설치되었고, 2024년 3분기부터 본격 제공할 계획이라고 한다.

Aiko는 이에 뒤질세라 n형 ABC 후면전극 태양광 모듈 효율 25.2% 달성을 발표했다. 독일 TUV SUD에서 효율을 검증받았다고 하는데, 2023년 5월 달성한 자체 모듈 최고효율 24.3%를 갱신한 기록이다. 자세한 사양은 아직 미공개로, 과연 25% 상용모듈이 시장에 등장할지 귀추가 주목된다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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